4. Особенности обеспечения теплового режима различных конструкций и типов источников вторичного электропитания

4.1. Особенности обеспечения теплового режима импульсных источников питания

Преобразователи электрической энергии импульсными методами позволяют получить высокие удельные показатели устройств электропитания при минимальных потерях энергии. В источниках вторичного электропитания импульсного действия выполняется преобразование постоянного тока в пульсирующий или переменный. Устройства, которые выполняют такое преобразование, называют инверторами. Если на выходе трансформатора включается выпрямитель, то все устройство преобразует напряжение постоянного тока в напряжение постоянного тока. Такой преобразователь называют конвектором.

Тепловой режим импульсного источника вторичного электропитания полностью определяется обеспечением теплового режима блоков и элементов, входящих в состав источника.

Основными, наиболее теплонагруженными элементами в импульсных ИВЭП являются транзисторы и транзисторные ключи. Ключевой режим, в котором работают транзисторы, характеризуется двумя основными состояниями:

• в течении одной части периода времени транзистор находится в открытом (насыщенном) состоянии;

• в течении оставшейся части периода времени – в закрытом состоянии.

При выборе мощного транзистора, для конкретной схемы, конструктор должен руководствоваться мгновенным значением напряжения в закрытом состоянии и тока в открытом состоянии, а также их сочетание в активной области. Необходимая надежность работы силового транзистора может быть обеспечена только при сочетаниях коллекторного тока и напряжения коллектор – эмиттер, лежащих внутри области безопасной работы (ОБР). Типовая область безопасной работы транзистора (рис. 2) размещена внутри ломанной линии, состоящей из четырех отрезков (1, 2, 3, 4).

Рис. 2

На рис. 2 показаны области безопасной работы транзистора для различных длительностей импульсов. Максимальное граничное значение тока коллектора I_k(отрезок 1) определяется из условия допустимой плотности тока для выбранной транзисторной структуры и конструкции [1]. При увеличении плотности тока нагрев транзистора повышается, а это в свою очередь приводит к снижению коэффициента усиления. Максимальная рассеиваемая мощность транзистора при работе его в активной области ограничивается отрезком 2 и определяется допустимой температурой нагрева кристалла. Отрезок 3 ограничивает сочетание токов и напряжений, не вызывающих вторичный пробой транзистора. Отрезок 4 ограничивает значение напряженияU_{кэо гр}, которое соответствует напряжению первичного лавинного пробоя при разомкнутой цепи базы (то есть когда ток базы равен 0).

Не грамотное обеспечение теплового режима и недостаточный отвод тепла от мощных транзисторов может привести к вторичному пробою. Различают две разновидности вторичного пробоя [1]: тепловой и токовый. Тепловой вторичный пробой вызывается неоднородностью проводимости кристалла в отдельных местах и, следовательно, различными плотностью тока и температурой по поверхности кристалла. С ростом температуры ее неравномерность увеличивается, на поверхности кристалла образуются так называемые «горячие пятна» и через определенное время происходит полное проплавление кристалла в этих локальных областях, приводящие к короткому замыканию цепи эмиттер – коллектор. Токовый вторичный пробой происходит при критическом значении плотности тока, когда увеличение напряженности поля приводит к неконтролируемому росту носителей в обедненном слое коллектора. При этом напряжение на транзисторе уменьшается.

О

(5)

(6)

бласть безопасной работы транзистора приводится обычно для определенной температуры корпуса транзистора. Для иного значения температуры необходимо учитывать перемещение линий 3 в соответствии с зависимостью допустимой рассеиваемой мощностиР_расот температуры корпусаТ_к:

где Т_пер– предельно допустимая температура перехода транзисторной структуры;R_Т– тепловое сопротивление между переходом транзисторной структуры и корпусом.

Температура корпуса, выше которой начинается снижение допустимой рассеиваемой мощности определяется из уравнения

где Р_{рас ном}– номинальная длительно рассеиваемая мощность. Положение линии 3 слабо зависит от температуры корпуса. Особенно при токовом вторичном пробое. Линии 1 и 4 устанавливаются в технических условиях для всего интервала температур.

Выбор транзистора, для работы в ключевом режиме, определяется следующими основными физическими и конструктивно-технологическими параметрами [1]:

малым временем рассасывания t_расдля обеспечения быстродействия ключа;

малыми временами включения (нарастания тока) t_вкли выключения (спада)t_выклдля снижения динамических потерь;

реальным током нагрузки I_{К кл}– классификационным током, превышение которого технически нецелесообразно;

минимальными потерями Р_насво включенном состоянии;

коэффициентом передачи тока транзистора в ключевом режиме h_{21 нас}, определяющим приведенные выше параметры и требуемую мощность предварительного усилителя;

массой m_т;

площадью S_т, занимаемой корпусом транзистора на теплоотводе;

площадью кристалла транзистора S_кр.

Некоторые требования, предъявляемые к транзисторам являются взаимоисключающими, и поэтому удовлетворение всех требований невозможно.

По сравнению с биполярными транзисторами ключи на транзисторах полевых обладают рядом достоинств:

• малая мощность управления в статическом режиме;

• высокая скорость переключения, благодаря чему снижаются динамические потери в ключевых схемах;

• отсутствие теплового пробоя и слабая подверженность вторичному пробою;

• самоограничение тока стока, обеспечивающее их параллельную работу.

Перечисленные выше достоинства позволяют более широко применять полевые транзисторы в ключевых схемах. Но, на ряду, с достоинствами полевые транзисторы имеют и свои недостатки, к которым относятся:

• выход из строя при электрических перегрузках по напряжению (даже кратковременных);

• повышенные, по сравнению с биполярными транзисторами, остаточные напряжения, что увеличивает потери в статическом режиме.

Так как мощные полевые транзисторы уступают биполярным, по предельным уровням рабочих напряжений и токов, целесообразно применять сочетание этих двух классов приборов в составе ключа.

Для уменьшения потерь в силовом транзисторе импульсного блока вторичного электропитания необходимо обеспечить достаточно малое остаточное напряжение в его открытом состоянии, создать надежный режим отсечки, сформировать надлежащим образом процесс переключения.

В импульсных ИВЭП широко применяют ключи на составных транзисторах. Подобные схемы применяют для увеличения суммарного усиления тока, что позволяет уменьшить мощность в цепи управления ключом. Однако при этом увеличиваются падение напряжения в выходной цепи транзистора и, следовательно, мощность, рассеиваемая в ней. Суммарные потери в выходной цепи ключа и в цепи управления минимальны при некотором значении тока управления.

Трансформаторы и дроссели во многом определяют массу, объем и тепловой режим импульсных источников электропитания. Высокая трудоемкость изготовления препятствует отработке схем, содержащих эти элементы, с помощью физического моделирования.

Конструктивные параметры трансформаторов выбирают из условия обеспечения допустимого падения напряжения на обмотках и допустимого перегрева обмоток. При выборе типоразмера магнитопровода и марки материала определяющими являются трансформируемая мощность и частота тока.

В диапазоне частот от 50 Гц до 10 кГц используются стали, свыше 10 кГц – ферриты и магнитодиэлектрики, от 5 кГц до нескольких сотен килогерц – сплавы. Сплавы типа пермаллоев и перминваров выгодно отличаются от сталей. Их коэрцитивная сила обычно не превышает 20…24 А / м при индукции до 1,5 Тл. Аморфные магнитные сплавы отличаются отсутствием кристаллической решетки, поэтому по сравнению с кристаллическими сплавами они обладают лучшими показателями по прочности, твердости и коррозионной стойкости. Ленты из аморфных магнитомягких сплавов имеют высокие значения проницаемости, удельного электрического сопротивления и низкую коэрцитивную силу. Потери мощности на гистерезис и вихревые токи у них в 3…5 раз меньше по сравнению с лучшими кристаллическими сплавами. Из ферритов для использования в качестве магнитопровода трансформаторов в составе ИВЭП наибольшее распространение получили марганец-цинковые и никель-цинковые. Первые, по сравнению со вторыми имеют более высокое значение точки Кюри и, следовательно, допускают больший перегрев.

Уровень суммарных потерь для каждого типа сердечника ограничен допустимой температурой его нагрева, при которой минимальное время наработки составляет не менее 50.000 ч. В табл. 1 указаны суммарные потери мощности и значения индукции в сердечниках из феррита 2000 НМ.

Таблица 1

Марка сердечника	Рабочие частоты, кГц, для индукции, Гс			Мощность потерь, Вт
	1000	2000	3300
К7 x 4 x 2	280	130	75	0,35
К10 x 6 x 3	210	110	50	0,66
К16 x 10 x 4,5	175	80	40	1,72
К20 x 12 x 6	140	55	25	2,32
К28 x 16 x 9	110	45	22	5
К40 x 25 x 11	105	40	20	10,6