Розрахунок перехідних електромагнітних та теплових процесів в перетворювачах електроенергії Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

електоомагштна сумкшсть / е1ес1готаапейс сотоаШП

УДК 621.314

Р. А. БАРАНЮК, В. А. ТО ДОРЕНКО, О. I. ТЮРЮТ1КОВ (НТУУ «КП1»)

Факультет електрошки, Нацюнальний техшчний университет Украши «Кшвський пол1техшчний ¡нститут», 03056, Кшв, вул. Ак. Янгеля 16/9, корп. 12, тел.: (044) 454-94-32, ел. пошта: ikar@fel.ntu-kpi.kiev.ua hte@el.ntu-kpi.kiev.ua

РОЗРАХУНОК ПЕРЕХ1ДНИХ ЕЛЕКТРОМАГН1ТНИХ ТА ТЕПЛОВИХ ПРОЦЕС1В В ПЕРЕТВОРЮВАЧАХ ЕЛЕКТРОЕНЕРГП

Вступ

При розробщ силових електронних перетво-рювач1в для транспортних засоб1в необхщно прщцляти значну увагу перехщним електрич-ним та тепловим процесам, розраховувати гра-ничш режими роботи нашвпровщникових при-лад1в, попереджувати та запоб1гати переходу роботи пристро!в в аваршш режими. При запуску електронних двигушв, змш частота роботи, в перетворювачах можуть виникати перехь дш електричш та тепло в 1 процеси, яю здатш вивести систему з ладу.

Звичайно тепло в 1 розрахунки при проекту-ванш перетворювальних пристро!в проводять в усталених режимах. Особливютю таких розра-хунклв е те, що компонента обираються з сут-тевим завищенням гранично допустимих параметр! в пасивних та нашвпровщникових прила-д1в. Це суттево впливае на габарита, цшу 1 на-дшнють пристро1в. Разом з там в класичних шдходах до розрахунку електромагштних та теплових процесс в не звертаеться достатня ува-га на перехщш теплов1 процеси в пускових режимах роботи та при стрибках навантаження, яи можуть привести обладнання до виходу з ладу.

Основна частина

Для зручносп розрахунклв [ дослщження аваршних режим ¡в роботи, переб1г процсслв в перетворювач! можна роздшити на три етапи. Перший етап - це швидкоплинш процеси, яю вщбуваються в облаеи малих час ¡в теля вв1м-кнення пристрою. Даний етап характеризуешься сильним нагр1вом кристатв нашвпровщнико-вих прилад1в при незначшй зм1ш температури корпусу. Наступний етап - понижения граничного допустимого струму в наел ¡до к нагр1ву нашвпровщникових компоненпв. Останшй етап сумщеного перехщного електромагштно-го та теплового процесу належить до облает! великих чаав. Цей етап характеризуешься на-гр1вом ¿ндуктивносп та емносп при довпй без-перервнш робот! перетворювача який суттево впливае на !хш параметри.

Для прикладу розглянемо перехщш елект-ромагштш та теплов1 процеси в понижуваль-ному широтно-1мпульсному перетворювач! (Ш1П), схему якого зображено на рис. 1.

При робот! нашвпровщникових прилад1в внаслщок наявносп теплового опору м1ж крис-талом та корпусом, кристали прилад1в нагр1ва-ються настшьки швидко, що 1х температура не встигае передаватись на корпус, 1 в момент запуску перетворювача температура переходу може досягти граничних значень температур при незначшй змш температури корпусу.

УТ1

©

1.1

-ППГУ^.

+°1 □

Рис. 1. Схема понижувалыюго Ш1П

Переважна бшышеть параметр!в транзисто-р1в I дюд1в залежать вщ температури кристалу. Для в1рно! штерпретацн даних з довщниюв, 1х необхщно брата з урахуванням, що вони приведен! при температур! 25 °С 1 можуть бути пе-ретвореш для максимально! робочо! температури за допомогою шших приведених парамет-р!в.

Необх!дне зменшення струму виявляеться за допомогою прямо! ! зворотно! розшювано! по-тужност!, яка також залежить вщ температури, а також !з втрат при комутацн.

На рис. 2 зображено залежшеть опору м!ж стоком ! витоком силового М08БЕТ транзистору 8Ь30В60К вщ температури корпусу. Даний ошр практично подвоюеться в д1апазош температур 25 °С... 125 °С. При температур! 80 °С можна використовувати лише 75 % вщ максимального струму стоку нав!ть в статичному режим!.

1 Баранюк Р.А. та ш., 2013

електоомагштна cvMicHicib / electromaanetic comoatibili

ie

12

RDS|on)

i

1

9В%

/

<

\ typ-

Vn«- 10Y .

О Tj SO ICQ °C ISO

Рис. 2. Onip силового MOSFET у вадкритому сташ при зм1ш температури

Звичайно при перехщному npoucci аналгги-чно дану залежшсть розрахувати практично неможливо, адже перерахунок температур не-обхщно проводити майже на кожному ncpioji роботи прилад1в, а теля цього ще й коректува-ти подалыпу перехщну криву. Тому для розра-хунку i подальшого моделювання теплових пе-рехщних npoucci в можна скористуватися на-ступною залежшстю [2]:

о _ р

"■св св„

1.024-?7°д"24 -1 100

5-1.024-U"

де

R,

■СВ„

ошр м1ж стоком та витоком при

i У

0 20 40 во ва 100 120 140 1 вй 160

тс та

Рис. 3. Залежшсть струму стоку ви нагр1ву кристалу транзистора

При розрахунку теплових рсжи\пв роботи дюд1в, необхщно придшити увагу залежност1

опору та прямого падшня напруги В1д температури. Аналп"ичний розрахунок перехщних npoucci в також надзвичайно складний в наел ¡до к необхщносп корекцп параметр!в модель На рис. 4 показаш температурш залежност1 струму i напруги, а також залежшсть струму вщ температури дюда 60 1«

г л .t л 1 и

Forward Voltage Drop - VFM (V)

a)

7o=25°C, T - д1юча температура, UCB - напруга сток-витш.

При визначенш аваршних електричних ре-жим1в слщ врахувати зменшення струму стоку з ростом температури (рис. 3).

4 |

С

4 О.

■ч CJ

Л

и

о

161}

U0

12»

10«

¡10

1 60L0100 RihJC (DC) - = I.CC - m

s4 DC N.

V N

0 2D £0 ВО 1»й

Average Forward Current - lF (A]

6)

Рис. 4. Температурш залежносп: а) максимального падшня напруги при прямому змпценш; б) максимального прямого струму

При формуванш модел1 Ш1П можна викори-стовувати наступш анал1тичш залежносп вщ температури опору дюда та падшня напруги

И:

Т -20

п _ п

ПVD ~ VD„

1 + -

298

"4-3

^уо =иуЕ>о - 2 • 10 • (71 - 20),

де , I - прямий ошр та напруга за

нормальних умов, зпдно даних виробника.

В середовшщ МайаЬ була побудована модель понижувального Ш1П в якш були врахо-ваш описаш вище температурш залежносп для дюда та транзистора. Така система досить зру-

© Баранюк Р.А. та ш., 2013

електромагжтна сум1сжсть / electromaqnetic compatibilil

чна для моделювання у зв'язку з тим, що зале-жносп описуються мовою С++ у файл1 скригт. а цей файл пов'язусться з системою симуляцн 81тиПпк.

Симулящя проводиться наступним чином. Спочатку задаються параметри вах компонен-т1в при температур! оточуючого середовища 25°С. Пот1м проводяться розрахунки електро-магштних процесс в та температури на кожному перюд1 роботи Ш1П. На початку кожного нового циклу програма проводить перерахунок поточного теплового стану та коригуе значения поточних параметр!в нашвпровщникових при-лад1в яю використовуються при розрахунках на наступному перюд1 роботи Ш1П.

При моделюванш перехщних електромагш-тних та теплових процесс в в Ш1П використову-вались наступш компоненти та режими роботи:

- дискретний ЮВТ транзистор 8Ь30В60К, розрахований на максимальний струм колекто-ру 78А при температур! 25°С, 50А при температур! 100°С;

- дюд60ЬС>100;

- ¿ндуктившеть 1мГн;

- емшеть 1мкФ;

- ошр навантаження Я = 5 Ом;

- частота роботи Ш1П 20 кГц при скважно-сп 2;

- напруга джерела живлення складала 100В;

- початкова температура оточуючого середовища 25 °С.

Попередньо був проведений розрахунок теплового режиму роботи з використанням кла-сичного пщходу, за сталим режимом роботи. За цими розрахунками нагр1в нашвпровщникових компонент!в досягае робочо! точки в 80°С. Пю-ля розрахунюв при цш температур! параметр!в нашвпровщникових прилад1в, був розрахований усталений режим роботи.

3 результата симуляцн у середовшщ МаЙаЬ випливае, що пщ час переходного процесу спо-стер1гаеться виплеск температур кристалу транзистора, який не встигае передатись на охоло-джувач, так як нагр1в проходить за короткий штервал часу. В нас л ¡док чого транзистор про-пускае менший струм, 1 дюд не досягае нагр1ву розраховано! робочо! точки (рис. 5), а отже тео-ретичш розрахунки при робочш точщ обох компонент!в в 80 °С будуть нев!рними.

Рис. 5. Нагр!в шд час переходного процесу кристалу: а) дюда, б) транзистора

В наел ¡до к переору теплового електромагш-тного процесу можлив! наступи! проблеми в перюд запуску перетворювача:

1. Вихщ з ладу транзистору шд час перехщного процесу внаслщок перегр1ву;

2. Перехщ перетворювача в аваршний режим роботи внаслщок перевищення гранично допустимого струму транзистора при данш температур!;

3. Нехватка струму навантаження для корректно! роботи двигуна, замють р!вном!рного зростання, струм починае спадати ¡зза перегр1-ву транзистора (рис. 6).

Рис. 6. Струм навантаження шд час переходного процесу при CTpiMKOMy Harpiei кристалу транзистора

Висновок

3 даних результат!в випливае, що доступш методи розрахунку теплових та електромагшт-них процес!в потребують значних вдоскона-лень, адже нав1ть завищення параметр!в компо-hchtíb не дасть гарантовано! роботи перетво-рювач1в в екстремальних режимах роботи. При швидкоплинних процесах неможливо утримати температуру кристалу нашвпровщникових прилад1в на píbhí робочо! точки, а значить не-обхщно розглядати сумщеш електротеплов! процеси i компенсувати потенщйш переходи перетворювача в аваршний режим роботи пщ час перехщного процесу.

REFERENCES

1. Soule, С. Thermal Management of IGBT Power Modules. PCIM 1995, Nürnberg, Proc. Power Electronics.

© Баранюк Р.А. та íh., 2013

електромагжтна сум1сжсть / electromagnetic compatibilil

2. Malina D. Accelerated synthesis of electrically and thermally constrained power electronic converter Надшшла до друку 20.03.2013. systems. - Technische Universiteit Eindhoven, 2007.

Статтю рекомендовано до друку д.т.н., професором П. Д. Андргенком

У статп на приклад1 понижувального широтноЧмпульсного перетворювача показан! проблеми, що мо-жуть виникнути при ро6от1 перетворювачт, розрахованих сучасними методами розрахунку електромагшт-них та теплових процеав. Приведен! результати розрахунку перехщних електромагштних npoueciB з тем-пературною корекцгёю на кожному nepiofli перехщного процесу. Створена модель, що дозволяв розраху-вати сум1щеш nepexiflHi електромагштш та теплов1 процеси в перетворювачах. Такий розрахунок дозволяв гмдвищити точшсть визначення аваршних режимт роботи, а також бшьш точно визначити параметри компонент^ перетворювача.

Ключов1 слова: перетворення енерги, широтноЧмпульсна модуляцт, процеси, електромагштш, тепловк

УДК 621.314

Р. А. БАРАНЮК, В. А. ТО ДОРЕНКО, А. И. ТЮРЮТИКОВ (НТУУ «КПИ»)

Факультет электроники, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», 03056, Киев, ул. Ак. Янгеля 16/9, корп. 12, тел.: (044) 454-94-32, эл. почта: ikar@fel.ntu-kpi.kiev.ua hte@el.ntu-kpi.kiev.ua

РАСЧЕТ ПЕРЕХОДНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

В статье на примере понижающего широтно-импульсного преобразователя показаны проблемы, которые могут возникнуть при работе преобразователей, рассчитанных современными методами расчета электромагнитных и тепловых процессов. Приведены результаты расчета переходных электромагнитных процессов с температурной коррекцией на каждом периоде переходного процесса. Создана модель, позволяющая рассчитать совмещенные переходные электромагнитные и тепловые процессы в преобразователях. Такой расчет позволяет повысить точность определения аварийных режимов работы, а также более точно определить параметры компонентов преобразователя.

Ключевые слова: преобразование энергии, широтно-импульсная модуляция, процессы, электромагнитные, тепловые.

Статью рекомендовано к печати д.т.н, профессором П. Д. Андриенком

UDC 621.314

R. A. BARANYUK, V. A. TODORENKO, A. I. TYURYUTIKOV (NTUU KPI)

Faculty of Electronics, National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", 03056, Kyiv, 16/9 Academician Yangel Street, build. 12, tel.: (044) 454-94-32, e-mail: ikar@fel.ntu-kpi.kiev.ua hte@el.ntu-kpi.kiev.ua

CALCULATION OF TRANSIENT ELECTROMAGNETIC AND THERMAL PROCESSES IN POWER CONVERTERS

The article is an example of downward pulse-width converter shows the problems that can arise when using converters designed modern methods of calculating the electromagnetic and thermal processes. The results of calculation of transient electromagnetic processes with temperature correction for each period of transition. The model, which allows to calculate the combined transient electromagnetic and thermal processes in the converter. This calculation can improve the accuracy of the emergency modes, and more accurately determine the parameters of the components of the converter.

Keywords: energy conversion, pulse width modulation, processes, electromagnetic, thermal.

Prof. P. D. Andrienko, D. Sc. (Tech.) recommended this article to be published.

© Баранюк P.А. та ш., 2013 ISSN 9516-5456 Електрифтащя транспорту, № 5.