Диссертация (1137078), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Таким образом, имеется некотораязадержка между началом пробоя и размыканием ключа. Поэтому энергия,рассеиваемая в защитном ключе при возникновении пробоя, рассчитывается поприближенным формулам:Wпроб = Iпроб2·Rвнутр.·tзакр/6,(4.9)- для ключей, построенных на базе МОП транзисторов.Wпроб = Iпроб· Uост.·tзакр/6 ,(4.10)- для ключей, построенных на БТИЗ., где Iпроб – ток пробоя, при которомпроисходит размыкание ключа; tзакр - время размыкания ключа. Необходимоучитывать энергетические характеристики транзисторов таким образом, чтобыпри заданной вероятной частоте появления пробоев в ЭПВ и известных режимахработы транзисторов энергия, выделяемая в них во время пробоя, не превысиладопустимую энергию единичного импульса при заданных тепловых режимахработы.
Так как защитные ключи во время работы находятся в замкнутомсостоянии, то в них рассеивается мощность, которую можно определить поформулам (4.8) или (4.9). Суммарная мощность, выделяемая в защитных ключах,рассчитывается как сумма мощностей: проводимости и рассеиваемой припробоях.4.1.5 Обеспечение электропрочности и теплового режима ключаЭлектропрочность ключа, как правило, обеспечивается заливкой объемаключаэлектроизоляционнымидиэлектриками)[81].электроизоляционныхматериаламиПараметрыматериаловчасто(компаундамииспользуемыхприведенывиливтаблицежидкимиэтих4.1.целяхВсеэлектроизоляционные материалы обладают достаточно большим тепловымкоэффициентом расширения (ТКР), что приводит к необходимости введения вконструкцию ключа компенсаторов расширения (или сжатия).113Таблица 4.1. Параметры электроизоляционных материалов, применяемыхдля заливки высоковольтных модуляторов.МатериалТеплопро- ЭлектроУдельноеводность, прочность, объемноеВт/м·КкВ/ммсопротивление,Ом11510131151013110101311010130,1715-201015-1013Виксинт ПК-68Силэк-1ГерсилЭластосилПолиметилсилаксан (ПМС)Трансформаторное 0,1410маслоВ таблице 4.1 примечания:10131)Прим.111122кремнийорганическиекомпаундыполимеризуются до эластичного (каучукоподобного) состояния; 2) остаются вжидком состоянии, отведение теплоты осуществляется за счет тепловогодвижения жидкости.Компаундыобладаютплохойтеплопроводностью.Толщинаслоякомпаунда, обеспечивающая требуемую электропрочность, может составлять3...10 мм и более.
При этом тепловое сопротивление промежутка «кристалл –окружающая среда» - Rк-окр транзисторов, составляющих ключ и залитыхкомпаундом, может достигать величин 20...100 °С/Вт. В этом случае дляобеспечения отвода теплоты из объема ключа, залитого компаундом, транзисторыключа необходимо устанавливать на специальные подложки, изготовленные изтеплопроводной керамики. В таблице 4.2 приведены характеристики материалов,используемых для изготовления изоляционных теплопроводных пластин [82].Таблица 4.2.
Параметры теплопроводных изоляционных материалов.МатериалBeOAl2O3АлмазAlN [83]Теплопроводность,λ,Вт/м·°С240...28015...25до 1000120...150Электропрочность,кВ/мм20155015...20114Тепловое сопротивление керамической пластины,изготовленнойизбериллиевой керамики размерами 30х20 мм2 и толщиной 5 мм, прилегающейширокой стенкой к радиатору, составляет 3 °С/Вт [84].При использовании теплопроводной керамики расположение транзисторовна ней и ее положение относительно радиатора влияют на тепловоесопротивление "кристалл-окружающая среда" и на паразитную емкость корпусовтранзисторов на корпус ключа. На рисунке 3.16 показаны возможные вариантывзаимного расположения керамической пластинки, транзистора и радиатора.Рис.
4.11. Взаимное расположение транзистора, радиатора и керамическойпластинки: 1 – радиатор; 2 – керамическая пластина; 3 – транзистор.Вариант а), когда торец керамической пластинки металлизируется ивпаиваетсяврадиатор,обладаетприемлемымипараметрамитепловогосопротивления и малой паразитной емкостью. Вариант б), когда транзисторприжимается широкой стенкой своего корпуса к керамической пластине, а та всвою очередь прижимается широкой стенкой к радиатору, обладает наименьшимтепловым сопротивлением и максимальной паразитной емкостью.Как будет отмечено далее, паразитная емкость монтажа существенно влияетна работу твердотельных ключей, построенных по последовательной схеме.Величина этой емкости определяется конструкцией ключа и характеристикамиэлектроизоляционных материалов. В случае применения транзисторов, собранных115в корпусах типа TO220 или TO247, расположенных на расстоянии 20...50 мм дометаллических поверхностей корпуса ключа (рисунок 4.11.а) и залитыхкремнийорганическим компаундом, паразитная емкость каждой ячейки на корпусможет составлять 0,2...2 пФ.
При использовании конструкции ключа, в которойтранзисторы прижимаются через теплопроводную керамику (рисунок 4.11.б)толщиной 2...5 мм непосредственно к корпусу ключа (радиатору), паразитнаяемкость каждой ячейки обычно составляет 2...20 пФ.В случае заливки объема ключа жидкими диэлектриками удаетсяодновременно удовлетворить требованиям электроизоляции и обеспечить отводтеплоты. Такой подход получил наибольшее распространение в стационарных ималоподвижных системах, так как в них достаточно просто решить проблемы,связанные с герметизацией залитого объема и компенсацией тепловыхрасширений жидкого диэлектрика.Выбор способа отведения теплоты из объема ключа определяется областьюего применения, режимами работы и мощностью, выделяемой в ключе.
Оценкамощности, выделяемой в твердотельном ключе, приведена в разделах 4.2 и 4.3.4.2 Исследование влияния параметров схемы на процессы вмодулятореИсходя из эпюр, приведенных на рисунках 4.6 и 4.10, для напряжений,прикладываемых к выходным электродам транзисторов, полученных численнымрасчетом, можно сделать вывод, что на различных стадиях работы модулятораимеются существенные различия в этих напряжениях. Проведем анализ схемымодулятора (рисунок 3.2) и определим возможные причины такого поведениясхемы.4.2.1 Исследование влияния паразитной емкости транзисторов ключа накорпусНарисунке4.12приведенаупрощеннаяэквивалентнаясхематвердотельного ключа в закрытом состоянии непосредственно после его116размыкания.
Паразитные емкости ячеек ключа на корпус совместно с выходнымиемкостями транзисторов образуют цепочку конденсаторов.Рис. 4.12. Эквивалентная схема ключа для закрытого состояния.В этой схеме для понимания потенциальных сложностей в работемодулятора не учитывается влияние цепей, ограничивающих напряжение натранзисторах. С использованием этой схемы можно анализировать процессы вразрядном ключе во время формирования фронта и плоской части импульса ипроцессы в зарядном ключе во время формирования спада импульса и паузымежду импульсами.На основе этой упрощенной схемы проведем расчет напряжений,прикладываемых к выходным электродам транзисторов в закрытом состояниипосле завершения переходных процессов перезаряда этих емкостей.
При расчетахбудем пользоваться допущением, что выходные емкости транзисторов постоянны,одинаковы и равны эффективной по энергии емкости транзистора.Предварительнотребуетсяпровестирасчетсобственнойемкоститвердотельного ключа, состоящего из N транзисторов, для того, чтобы определитьвеличину заряда, накопленного в схеме.Учитывая, что твердотельные ключи в модуляторах одним полюсомподключаются к накопителю (емкость которого, как правило, много большеемкости ключа) или к корпусу модулятора, то можно считать, что один извыводов ключа подключен по переменному току к корпусу модулятора. Примем,что вывод А на рисунке 4.11 подключен к корпусу модулятора.
Тогда емкостьключа, состоящего из одного транзистора, равна CК(1)=CВЫХ-eff+CGND. Емкость117ключа, состоящего из N транзисторов, вычисляется, как последовательноевключение емкости ключа, состоящего из (N-1) транзисторов, и CВЫХ-eff плюс CGND[85]:CК(N)=(CК(N-1)· CВЫХ-eff)/(CК(N-1)+ CВЫХ-eff)+ CGND.(4.11)Рекуррентное соотношение (4.11) позволяет рассчитать собственнуюемкость твердотельного ключа относительно корпуса модулятора. На рисунке4.13 приведена зависимость емкости ключа от количества транзисторов дляразных значений паразитной емкости ячеек на корпус при CВЫХ-eff=100 пФ.Рис. 4.13.
Зависимость емкости ключа от количества транзисторов.При малых значениях N емкость ключа можно приближенно вычислить поформуле: CК(N)= CВЫХ-eff /N + CGND ·N/2. Данная формула справедлива длязначений N, меньшихN граничн . 2 С ВЫХ eff / C GND. Как видно из рисунке 4.13,выражение (4.11) при больших N имеет предел, который вычисляется на основесхемы, приведенной на рисунке 4.14, с учетом предположения, что приN влияниедополнительных ячеек, подключаемых к схеме, не приводит кизменению ее суммарной емкости C К относительно значения емкости C*К схемы,содержащей (N-1) ячейку:118C *К СВЫХ effC*К СВЫХ eff CGND CК ,при ( N ) C *К CК CК CGND CК СВЫХ eff CК СВЫХ eff 0CК 2 CК CGND СВЫХ eff CGND 0 2CК CGND CGND 4 CGND CВЫХ eff / 2 .(4.12)Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
