5.2. Расчет допустимых токов вентилей в заданных условиях
Максимально допустимый средний прямой ток при заданных условиях работы отличается от указанного в обозначении типа вентиля, так как прибор в конкретной схеме имеет иную продолжительность открытого состояния, различные значения температуры охлаждающей среды, интенсивности охлаждения и т. п., поэтому для оценки реальной нагрузочной способности диода (тиристора) рассчитывается IFAVm (ITAVm) в заданных условиях по выражению:
,
(19)
где Rthja – тепловое сопротивление «переход – среда», оС/Вт, причем
;
(20)
kф – коэффициент формы кривой тока, зависящий от характера нагрузки и схемы преобразователя, равный отношению действующего значения тока к среднему;
Та – температура охлаждающей среды (воздуха), в расчетах обычно принимается равной +40 оС, но может изменяться в зависимости от места установки преобразователя, климатических условий и способа эксплуатации.
При прямоугольной форме тока (Id = const) значения kф в зависимости от продолжительности открытого состояния вентиля в схеме λ приведены в табл. 5.
Таблица 5
Зависимость kф от продолжительности открытого состояния вентиля λ
, гр. |
180 |
120 |
90 |
60 |
30 |
kф |
1,41 |
1,73 |
2,0 |
2,45 |
3,46 |
Остальные величины, входящие в выражение (19), рассчитаны в подразд. 5.1.
Критериями оценки работоспособности полупроводниковых приборов при токовых перегрузках являются перегрузочные характеристики и ударный неповторяющийся ток. Исходными данными для расчета перегрузочных характеристик являются типы прибора и охладителя, способ и интенсивность охлаждения, форма кривой тока.
С целью уменьшения расчетов и с учетом того, что заданием на курсовую работу (аналогично техническим условиям на преобразователи) перегрузка за время t установлена в 10 с, рассчитывается допустимый ток перегрузки IF(OV) (IT(OV)), который зависит и от предварительной нагрузки. В данном расчете допускается, что до перегрузки преобразователь работал с номинальным током.
Допустимый ток перегрузки определяется по формуле:
,
(21)
где Tj – температура перехода в результате нагрева его током предварительной нагрузки,
;
(22)
PF(AV) – мощность потерь в вентиле, обусловленная током предварительной нагрузки,
;
(23)
Z(th)tja – переходное тепловое сопротивление «переход – среда» для продолжительности перегрузки t, с.
При t = 10 с
Z(th)10ja = Z(th)10jc + Rthch + Z(th)10ha. (24)
Значения величин, входящих в выражение
(24), зависят от интенсивности системы
охлаждения, однако это проявляется при
t
100 с. При t = 10 с такой
зависимости нет.
При применении уравнения (23) необходимо оговорить значение величины IFAV (ITAV). Наиболее сложным будет режим при номинальном токе до наступления перегрузки, т. е. при
,
(25)
где а – число вентилей, соединяемых в плече параллельно.
Вентильные конструкции должны выдерживать и аварийные перегрузки, в том числе сохранять исправность при режиме короткого замыкания (к. з.). Пе-регрузочная способность вентиля характеризуется ударным неповторяющимся прямым током IFSM (ITSM) – током, при котором превышается максимально допустимая температура перехода, но который протекает кратковременно и в единичных случаях за весь срок службы прибора. Нормируется допустимое значение ударного неповторяющегося прямого тока в виде одиночного импульса синусоидальной формы длительностью 10 мс в аварийном режиме. Обычно IFSM (15 – 20) IFAVm.
Этот ток сравнивается с расчетным ударным током к. з. в схеме преобразователя. Определить последний можно по упрощенной методике по выражению:
,
(26)
где
– напряжение короткого замыкания,
эквивалентное сопротивлению питающей
системы с мощностью к. з. Sк.з.с,
.
(27)
Ударное значение тока к. з. определяется по выражению:
Iуд = 2,55 Iк.з. (28)