Застосування захисного пристрою в нейтралі високовольтної обмотки автотрансформатора з метою підвищення ефективності обмеження однофазного струму короткого замикання Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Остренко В. С. Определение дополнения к значению теплового сопротивления силовых полупроводниковых приборов

Эта статья посвящена обоснованию методики определения дополнения к значению теплового сопротивления полупроводникового прибора для постоянного тока, которое дает возможность определить максимальную температуру полупроводниковой структуры прибора при нагружении импульсами тока.

Ключевые слова: силовой полупроводниковый прибор, импульсный режим, тепловое сопротивление, определение дополнения, температура структуры.

Ostrenko V. Determination of complement to the value of thermal resistance of power semiconductor devices

The author justifies the procedure for determining a complement to the value of thermal resistance of a direct current semiconductor device which permits to determine a maximum temperature of the device junction when loaded by current pulses.

Key words: power semiconductor device, pulse mode, thermal resistance, determination of complement, junction temperature.

УДК 537.523.5

А. В. Сршов д-р техн. наук, Г. I. Камель д-р техн. наук, I. М. Коцур канд. техн. наук

Запорiзький нацшнальний техшчний ушверситет

ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ ХАОТИЧНОГО СТРУМУ ЕЛЕКТРОН1В НА ПАРАМЕТРИ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ У ПРИАНОДН1Й ЗОН1

РОЗРЯДУ

Розглянуто вплив спiввiдношення густини розрядного та хаотичного електронних струмiв на падння потенцалу у дифузiйнiй зон прианодно'УобластI Виконано аналiз впливу вимуше-но'У конвекцИ на умови снування стйкого дифузного розряду на поверхнi анода.

Ключов'1 слова: електрон, юн, анод, падiнняпотенцалу, густина струму, розряднийструм, хаотичний струм, диффузйна зона, вимушена конвекця, дифузний розряд.

Проблема реашзацд спйкого дифузного розряду на електродах технолопчних пристро1в мае значний нау-ковий i практичний штерес. Оргашзащя такого розряду дозволить знизити теплове навантаження й ерозш по-верхш елекгродiв, шдвищига стабшьшсть параме^в електродугових пристро1в i полшшити яшсть процеав зварювання, наплавлення i плазмового напилювання.

1снукш тдходи для визначення умов переходу дифузного розряду в контрагований зв'язаш з наявшстю мшмуму електродного падшня потенщалу в залежносп вщ щiльностi струму [1-7].

Однак складносп теоретичного аналiзу i недостатня точшсть експериментальних дослiджень стримують одержання практичних рекомендацiй. Сказане вщно-ситься, насамперед, до вивчення прианодно! зони розряду, де змша потенцiалу мае не стрибкоподiбний, а розподiлений характер, що не враховано в приведених роботах. Тому, можна припустити, що юнуюш методи теоретично! оцiнки некоректш i вимагають подальшо! розробки.

1дея полшшення теоретичного методу полягае в обл^ сталостi температури стовпа плазми при мож-ливiй змш щшьносп струму в перехвднш зонi. Завдан-ня роботи полягае в розробцi теоретичного методу розрахунку розподiлу потенцiалу у стовт плазми перед анодом.

Дифузiйна зона приелектродно! областi характери-зуеться значною змiною температури i концентрацп за-ряджених часток. Вона вщдшена вщ електрода шаром об'емного заряду i е квазiнейтральною. Причиною ви-никнення напруженостi електричного поля е отр плазми, що зростае в приелектроднш зонi, i iснуючi градае-нти концентраци заряджених часток. Розподш потенщ-алу в дифузiйнiй зот знаходиться з рiвнянь потоков ди-фузп заряджених часток у неоднорвднш плазмi, а саме,

Je =

Ji =-

eDe ■dne

<5edq> dy dy '

eDi ■ dni <Jid^>

dy

dy

(1) (2)

© А. В. ершов, Г. I. Камель, I. М. Коцур 2010 р.

де y - координата, що збтаегься з нормаллю до поверхш елекгрода; De i D, - коефiцieнти дифузп елекгронiв i iонiв; ст e i ct j - коефщенти елекгропровiдносгi, ввдпо-вiдно; e - заряд електрона; ф - потенцiал плазми, n, n. -концентрацп елекгронiв та юшв, j ,j. - густина струму елекгронiв та iонiв.

Осшльки в дифузiйнiй зонi виконуегься умова кваз-iнейтральностi n, = ne, змша потенцiалу елекгричного поля знаходиться з насгупного рiвняння потоку дифузп елекгронiв:

dф e • De dne je

dy

dy

ст e

(3)

Припущення про сталiсть iонного струму в пристшнш дифузшнш зонi дозволяе вважати постшним також i струм дифузй' електрошв, що визначаеться гра-дiентом концентрацп i дорiвнюе хаотичному струмовi електрошв на гранищ плазми, що описуеться рiвнян-ням

e • ne •Ve

Jex

■ = e • De

dne

■ = const.

(4)

4 B dy

де V - теплова швидшсть електрошв, j . - хаотичний струм електрошв на гранищ плазми. Тод iз (3) i (4) змша потенщалу в дифузiйному шарi визначиться наступним спiввiдношенням розрядного i хаотичного струмiв:

dф

dy

je.

(

1 -

Л

При напрямку осi oy до анода дифузшний струм приводить до зниження потенщалу, а розрядний елекг-ронний струм - до шдвищення, що варто врахувати й у формулi (3). При рiвностi розрядного i хаотичного струмiв, градiент потенцiалу в дифузшному шарi дорь внюе нулю.

Загальне спадання напруги в дифузiйному шарi виз-начаегься рiзницею мiж омiчною i дифузiйною складо-вими падшня потенцiалу

Дф = Дф g + Дф j = Дф.

(j л V Jex

(5)

Для обчислення дифузшно! складового падшня потенщалу використовуемо сшвввдношення Ейнштейна:

De

k • Te e2 • ne

(6)

Величина дифузшного падiння потенцiалу визначиться шляхом штегрування першого доданка в (3) з урахуванням (6),

7 k • Te kTe , neo Дф g = J -e • dne =--- • ln——

e • n& e П0ЛА1

(7)

де neo i new - концентрацп електрошв у квазiрiвно-важнiй плазмi стовпа дуги i на гранищ з електродом,

вщповщно, Te - середня в пограничному шарi температура електрошв.

Величину омiчноl складово! падшня потенщалу можна визначити, зпдно з (5), у залежносп вiд дифузшно! складово! падiння потенцiалу i спiввiдношення розрядного i хаотичного сгрумш елекгронiв. Таким чином, омiчна складова падiння потенцiалу визначиться з (5) i (7) рiвнянням

j

k • Te je

Дф j = -Дф_ =-e.

je

je

(8)

З огляду на лшшний розподiл концентрацп' електрошв i iонiв у залежностi ввд вiдстанi вiд поверхнi елекгрода й умови квазшейтральносп, знаходимо, що при-сгiнна конценграцiя елекгронiв бшьше ириспнно! кон-центрацй' iонiв на сшввщношення довжин вiльного пробку елекгронiв - le i юшв - l,, що вiдокремлюють дифу-зiйну зону вiд поверхнi електрода. Сказане вiдповiдае рiвнянню

ji

h

(9)

e • Vo (Te ) l,■

У формулi (9) враховано, що концентрацiя iонiв зв'я-зана з хаотичним струмом юшв, що на гранищ шару дорiвнюе дифузшному струмовi

Jix Jiw e •n,

• п ■ . •

Vo (Te ).

(10)

Швидшсть iонiв на гранищ шару - Vio визначаегься ввдповвдно до умови Бома в залежносп вщ елекгронно! температури, а саме,

V o=

k •Te M,

(11)

де М. - маса юшв.

Необхщна для розрахунку падiння потенщалу в (8) величина хаотичного струму електрошв визначиться в залежносп ввд концентраций електрошв на гранищ шару з рiвняння (9) наступним чином:

j = j • • Veo(Te) = j • le

Jex Ji ' , ' T7 im \ Ji'

h Vo (Te) 4lj у П

8Mi

• me

(12)

Розрахунковi ощнки показують, що негативна величина дифузшного падшня потенщалу складае ввд -5,5 до -3,5 В, зменшуючись по модулю зi зростанням струму в дапазош вiд 106 до 107 А/м2. Омiчна складового падшня потенщалу зменшуеться зi зростанням струму в зазна-ченому дiапазонi вщ 4,5 до 2,5 вольт. Загальне падания потенцiалу негативно в межах 1 В, оскшьки хаотичний струм електрошв ютотно перевершуе струм розряду.

У залежносгi вiд впливу конвекци та умов контакту плазми з електродом юнуе можливiсть iснування двох тишв розряду: самостiйного або несамостшного. Для самостiйного розряду характерно зростання густини iоного та хаотичного електронного струму внаслiдок

e

n

с и

ст

e

e

СТ

e

ст

e

n

eo

54

ISSN 1607-6761

«Електротехтка га електроенергетика» .№2, 2010

зростання температури плазми у стовт розряду при зростанш густини струму розряду. Якщо при цьому зростання густини хаотичного електронного струму буде випереджати зростання густини струму розряду, то падшня потенцiалу згiдно iз (5), (8) буде зменшува-тись, внаслщок чого розряд стане нестшким та виник-нуть аноднi плями. 1снування дифузного самостшного розряду iз (8) можливе , якщо густина розрядного струму перевищуе критичне значения i випереджае густи-ну хаотичного електронного струму.

У випадку iснуваиня розвинутш конвекцл плазми у каиалi плазмотрона, густина хаотичного електронного струму буде визначатися сталою температурою плазми стовпа i густиною конвективного теплового струму. Тодi, зпдно з (8), вольт амперна характеристика буде зростаю-чою, а розряд - дифузним. Розрахунки омiчноl складо-во! анодного падiння потенщалу у [8] показано на рис. 1, на якому видно, що тд дiею конвективного теплового струму - q, при низькш густини розрядного струму з'являються дшянки зростання вольт амперно! характеристики, яш вщюввдають умовам дифузного розряду. и,в

4 3 2 1 О

1П4 105 Ю6 107 ],А/М2

Рис. 1. Залежшсть ом1чного падшня потенщалу вщ густини розрядного струму - ], [ конвективного теплового струму з плазми - q; 1-3 вщповщае q = 105, 5-105, 106 Вт/м2

Висновки

1. Показано, що анодне падшня потенщалу у ди-фузшнш зош визначаеться спiввiдношенням розрядного i хаотичного електронних струмiв на поверхш анода.

2. Визначено, що при юнування розвинуто! конвекци плазми у каналi плазмотрона, вольт амперна характе-

ристика буде зростаючою, а розряд - дифузним, навиъ

при порiвняно невеликий густинi розрядного струму.

СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ

1. Дюжев Г. А. Анодные приэлектродные явления в дугах низкого и среднего давления при больших плотностях тока / Г. А. Дюжев, С. М. Школьник,

B. Г. Юрьев // Тез. Всес.конф. по Г.Н.П. - Алма-Ата. - 1977. - С. 230-233.

2. Немчинский В. А. Прианодный слой сильноточной дуги высокого давления / В. А. Немчинский, Л. Н. Перетц // ЖТФ - 1977 - Т. 47. - № 9. - С. 1868. -1875.

3. Дюжев Г. А. Анодные приэлектродные явления при больших плотностях тока / Г. А. Дюжев, С. М. Школьник, В. Г. Юрьев // ЖТФ - 1978 - Т. 48 - № 6. -

C. 1195-1212.

4. Анодные процессы в сильноточном дуговом разряде / [Г. А. Дюжев, В. А. Немчинский, С. М. Школьник, В. Г. Юрьев] // Химия плазмы. - 1983. - № 10. -С. 169-209.

5. Дюжев Г. А. Множественная контракция анодной области дуги атмосферного давления / Г. А. Дюжев, Н. К. Митрофанов, С. М. Школьник // Тезисы докл. УШ Всес. конф. по физике низкотемпер. плазмы. - Ч. 1 - Минск, 1994. - С. 143-146.

6. Приэлектродные процессы в дуговых разрядах / [М. Ф. Жуков, Н . П. Козлов, А. В.Пустогаров и др.]. -Новосибирск : Наука. 1982. - 157 с.

7. Кривцун И. В. О механизме конракции тока в анодной области дугового разряда/ И. В. Кривцун, И. М. Парнета // Тезисы Междун. конф. «Физика дуги и источники питания». - К. : ИЭС им. Е. О. Пато-на, 1992. - С. 24-25.

8. Ершов А. В. Влияние параметров несамостоятельного разряда на условия появления анодных пятен / А. В. Ершов // Электротехника и электроэнергетика - 2004. - № 2. - С. 20-22.

Стаття надiйшла до редакцИ 26.10.2010

Ершов А. В., Камель Г. И., Коцур И. М. Исследование влияния хаотического потока электронов на параметры электрического поля в прианодной зоне разряда

Рассмотрено влияние соотношения плотности разрядного и хаотического электронных токов на падение потенциала в диффузионной зоне прианодной области. Выполнен анализ влияния вынужденной конвекции на условия существования устойчивого диффузного разряда на поверхности анода.

Ключевые слова: электрон, ион, анод, падение потенциала, плотность тока, разрядный ток, хаотический ток, диффузионная зона, вынужденная конвекция, диффузный разряд.

Ershov A., Camel G., Cotsur I. Investigation of the influence of chaotic electronic flux on parameters of electric field in the anode zone of a discharge

The influence of the ratio of the discharge density and chaotic electronic currents on the potential drop in the diffusion zone near the anode was considered. The analysis of the influence of forced convection on the conditions of existence of a stable diffuse discharge on the anode surface was performed.

Key words: electron, ion, anode, drop of potential, current density, diffusion zone, forced convection, diffuse discharge.