Программа SemiSel — тепловые расчеты

Силовая электроника

CHIP NEWS УКРАИНА

Программа SemiSel — тепловые расчеты силовых схем Андрей Колпаков, старший технический консультант SEMIKRON E-mail: Andrey.Kolpakov@semikron.com.ua Андрей Гладских, бренд-менеджер SEMIKRON E-mail: skua@semikron.com.ua

Расчет тепловых режимов работы силового каскада является од­ ним из важнейших этапов процесса разработки, позволяющим подтвердить правильность выбора и применения электронного компонента, что во многом определяет надежность работы уст­ ройства. В статье описаны основные особенности наиболее со­ вершенной на сегодняшний день программы теплового расчета SemiSel и в виде примера приведены расчеты трехфазного вы­ прямительного моста, чопера и трехфазного инвертора.

Введение

П

остоянное ценовое давление рын­ ка и стремление к повышению эффективности преобразовательных устройств сделали выбор элементной базы одним из самых ответственных эта­ пов проектирования. Не менее ответс­ твенной фазой разработки является и расчет тепловых режимов, важность которого обусловлена непрерывным увеличением плотности мощности. Растущее многообразие решений, применяемых в силовой электронике, и специализация типов компонентов при­ вели к тому, что сравнение близких по назначению силовых модулей на осно­ вании только справочных данных ста­ ло серьезной проблемой. Предельные значения тока и напряжения транзис­ тора или модуля, обычно вынесенные в заголовок технических характеристик, не дают разработчику никаких данных для расчета, а лишь позволяют в первом приближении сравнить один элемент с другим. Сложность выбора компонента заключается и в том, что желательно максимально использовать его мощност­ ные характеристики, чтобы не платить лишних денег за неоправданный запас по мощности. Проектирование силового каска­ да является сложным и ответственным

процессом, требующим от современ­ ного разработчика большого объема знаний и опыта. Автоматизированные средства разработки, позволяющие ре­ шать большинство поставленных задач, способны оказать неоценимую помощь при разработке и свести к минимуму ошибки проектировщика. Что такое SEMISEL?

Т

енденции современного рынка си­ ловой электроники — сокращение сроков проектирования, рост мощнос­ тей и усиление требований по надеж­ ности — делают невозможным процесс разработки без специализированного программного обеспечения. Програм­ мы для расчета режимов работы мощ­ ных преобразовательных устройств предлагаются практически всеми ос­ новными производителями силовых мо­ дулей. Наиболее популярные компью­ терные средства разработки доступны на сайтах компаний Eupec/Infineon, Mitsubishi, Semikron. Как правило, данные программы предназначены для расчета мощности потерь и темпера­ туры перегрева, с их помощью разра­ ботчик может с различной степенью до­ стоверности выбрать силовой ключ на основании заданных режимов работы.

Компания SEMIKRON предложила для массового применения свою про­ грамму автоматизированного расчета и выбора компонентов SEMISEL [1] рань­ ше своих конкурентов. Первый вариант программы появился на сайте фирмы в 2001 г., и с тех пор SemiSel постоянного совершенствуется, обновляется, попол­ няется база данных. Последняя версия SEMISEL Version 4.0.1 пригодна для моделирования тепловых режимов лю­ бых силовых ключей на основании их технических характеристик. Программа SEMISEL, on-line-вер­ сия которой доступна по линку semisel. semikron.com, может быть использована для анализа практически всех использу­ емых конфигураций схем в реальных условиях эксплуатации. Последние ва­ рианты SEMISEL способны помочь раз­ работчику практически на всех этапах проектирования, включая выбор драй­ вера, расчет режимов его работы, а так же оптимизацию охлаждающей системы любого типа или моделирование задан­ ного рабочего цикла. В первую очередь программа предназначена для решения следую­ щих задач: • оптимальный выбор силового клю­ча для заданной конфигурации схемы и условий эксплуатации; • сравнение эффективности работы различных компонентов, поиск за­ мены; • достижение оптимальной техни­ ческой и экономической эффек­ тивности, нахождение оптимально­го соотношения основных электри­ ческих характеристик (частоты пе­ реключения, эффективности систе­мы охлаждения, перегрузочной способ­ ности и т. п.); • оценка запаса надежности по пре­ дельным режимам.

www.chipnews.com.ua

Силовая электроника

ИНЖЕНЕРНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА Общие сведения

О

сновные потери в силовых тран­ зисторах и модулях создаются непосредственно в кристалле. Тепло, выделяемое полупроводниковым крис­ таллом, отводится через корпус эле­ мента на теплоотвод и далее — в окру­ жающую среду. Градиент температур между кристаллом и окружающим воздухом является функцией рассеи­ ваемой мощности и тепловых сопро­ тивлений материалов, из которых со­ стоит корпус элемента, и материалов теплоотвода. На рис. 1 показаны в разрезе слои стандартного модуля IGBT, участвую­ щие в процессе теплопередачи: 1 — вы­ вод чипа (Al), 2 — чип (Si), 3 — припой, 4 — металлизация (Cu), 5 — керамика (Al2O3), 6 — металлизация (Cu), 7 — припой, 8 — основание (Cu). Слои 4, 5, 6 образуют так называемую DCB (Direct Copper Bonding) плату — керамическую пластину, покрытую с двух сторон мед­ ной фольгой методом диффузионного напыления.Для корректного теплово­ го анализа должны быть определены тепловые сопротивления каждого из показанных элементов. Модуль уста­ навливается на радиатор через теп­ лопроводящую пасту, и эти элементы также должны быть учтены при расчете. Кроме того, для правильного анализа динамических тепловых процессов не­ обходимо знать теплоемкость соответ­ ствующих слоев. В справочных данных полупровод­ никовых элементов обычно приводятся предельные параметры тока для пос­ тоянного (continuous) и импульсного (pulse) режимов. При реальной работе кристалла, например, в режиме высо­ кочастотной модуляции, ток и темпе­ ратура кристалла имеют пульсирую­ щий характер, и амплитуда импульсов тока может значительно превышать предельные постоянные значения. Для теплового расчета в таких режимах температура кристалла определяется с помощью графика динамического теплового импеданса ZthJC. Исходными данными являются потери мощности за один импульс, длительность импульса и коэффициент заполнения. Для компьютеризации расчета гра­ фик динамического теплового импедан­ са выражается в виде аналитической функции, и градиент температуры рас­ считывается по формуле: . (1)

Рис. 1. Элементы тепловой структуры модуля IGBT

Специалисты фирмы Semikron про­ , извели вычисления компонентов фор­ мулы для всех модулей, выпускаемых фирмой. Это позволило сделать про­ цесс расчета полностью автоматизиро­ ванным, простым и точным. . На рис. 2 показаны эпюры импуль­ сов мощности и соответствующие им B. Последовательность одиночных пря­ графики изменения температуры крис­ моугольных импульсов. Этот режим талла. Для расчета градиента темпе­ используется для аппроксимации ратуры служат следующие формулы, импульсов произвольной формы. используемые программой SEMISEL: Формула дана для последователь­ ности из Q импульсов: A. Одиночный кратковременный им­ пульс (температура не достигает ус­ . тановившегося значения):

Рис. 2. Тепловые режимы работы силовых модулей

CHIP NEWS Украина, #07 (107), сентябрь, 2011

Силовая электроника

CHIP NEWS УКРАИНА

C. Широтно-импульсная модуляция с • регуляторы переменного напряже­ tsdrive.com.ua/page.php?id=272 с «жи­ постоянным коэффициентом запол­ ния AC/АC: выми» линками на все использовавшие­ нения: • W1C — тиристорный ключ; ся ресурсы.

• W1C — трехфазный тиристор­ . ный ключ; • инверторы DC/АC: Трехфазный D. Периодическая последовательность • inverter_1_phases — полный мос­ выпрямительный мост пар различных импульсов. товой каскад (в режиме разрыв­ ного и непрерывного тока); ассмотрим вариант расчета трех­ • inverter_3_phases — 3-фазный фазного полууправляемого выпря­ инвертер; мителя. После выбора соответству­ • direct inverter — обычный мосто­ ющей конфигурации (B6Н) на экране . вой инвертор в режиме «флип- появляется схема и меню (рис. 3) в ко­

флоп»; тором требуется ввести значения соот­ Реальные режимы работы могут рас­ • 3-level inverter — трехуровневый ветствующих параметров: сматриваться как различные сочетания инвертор; • Vin — линейное напряжение; указанных режимов. Далее необходимо • преобразователи постоянного тока • Iout av, Iout rms — среднее и средне­ определить тепловое сопротивление DC/DC: квадратичное значение выходного RthJC. Для этого служат выражения: • buck — чоппер верхнего плеча; тока; • boost — чоппер нижнего плеча; • FI — так называемый форм-фактор — • SR-мотор — вентильный индук­ отношение среднеквадратичного , (2) торный двигатель. и среднего тока выпрямительного Следует отметить, что все указан­ моста (не нагрузки!). При индуктив­ , (3) ные схемы реализованы в модулях, про­ ной нагрузке: FI = 1.41 для одно­ изводимых компанией SEMIKRON. фазного выпрямителя и FI = 1.73 для где tp — длительность импульса, выра­ Далее мы рассмотрим на различных трехфазного выпрямителя. Если вве­ женная в формуле (3) через угол отсеч­ примерах, как непосредственно рабо­ дены значения Iav и Irms, FI вычисля­ ки Θ, а f — рабочая частота. тает программа SEMISEL. Примером ется автоматически; Данные выражения справедливы послужит «сквозное» проектирование • fin — значение частоты входного как для кратковременных одиночных преобразователя частоты, состояще­ сигнала (учитывается при расчете импульсов, так и для высокочастотных го из трехфазного выпрямительного потерь для быстрых диодов); импульсных режимов. Для расчета зна­ моста, чоппера системы торможения и • Overload factor — процент пере­ чения R(thjcp) используется значение мак­ IGBT инвертора. Исходные данные для грузки. При расчете потерь исполь­ симальной рассеиваемой мощности за расчетов: зуется метод последовательных при­ период проводимости. ближений из 40 шагов и учитывается Приведенные выше формулы даны Pn = 22 kW, cosFi(std) = 0.8 3 phase эффект саморазогрева; отнюдь не для того, чтобы испугать поль­ 380 V; • Duration — время перегрузки; зователя. Они отражают общие принци­ Possible overload 20 % time 10 sec; • User defined load cycle — эта опция пы, заложенные в программе SEMISEL, и Fpwm-max -up to 12 kHz, Fpwm-std = используется, если форма выходно­ го тока отличается от стандартной и предназначены для специа­листов, кото­ = 4.5 kHz; sinusoidal pwm; рые хотят понять физику происходящих Полная мощнсть системы при стан­ определяется пользователем: процессов. А сама программа разрабо­ дартном косинусе: фазный входной ток Iinp = 34 A; тана таким образом, чтобы максималь­ Snom = Pnpm/0.8 = 27.5 kVA. выходной ток выпрямителя но упростить процесс расчета.

Id = Pn/535 = 41.12 A; Одним из главных достоинств про­ Полностью статья находится на (учитываем, что реактивный ток дви­ граммы SEMISEL по сравнению с ана­ нашем сайте на странице http://www. гателя замыкается через батарею логичными средствами расчета является широкий выбор схем AC/DC, AC/AC DC/AC и DC/DC преобразователей: • выпрямители AC/DC: • B2U — однофазный выпрями­ тельный мост; • B2H — однофазный тиристор­ ный мост с управлением в верх­ нем плече; • В2С — однофазный полностью управляемый тиристорный мост; • B6U — трехфазный выпрямитель­ ный мост; • B6H — трехфазный полууправ­ ляемый тиристорный мост; • В6С — трехфазный полностью Рис. 3. Исходные данные для расчета трехфазного выпрямительного моста управляемый тиристорный мост;

Р

www.chipnews.com.ua

Силовая электроника

ИНЖЕНЕРНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Рис. 4. Предлагаемые типы выпрямителей

звена, поэтому при расчете выпря­ мителя используем только номи­ нальную мощность); коэффициент перегрузки — 1.2 на протяжении 10 сек. После заполнения всех необходимых граф программа предлагает различные типы выпрямителей, выпускаемых фир­ мой и подходящих для решения данной задачи (рис. 4). Дальнейшие действия необходимы для расчета мощности по­ терь. Вы выбираете тип корпуса мос­ та и непосредственно тип элемента из ниспадающего меню. При использова­ нии типовых значний параметра (typical values), тепловой расчет производит­ ся для номинального режима работы, предельные значения (maximum values) необходимы для расчета режима пе­ регрузки. Выбор элементной базы. Как гово­ рил Леонид Быков устами киногероя из к/ф «В бой идут одни старики» — учи­ те матчасть. Поэтому вначале, пожа­ луйста, ознакомьтесь с номенклатурой выпускаемых приборов, чтобы не оши­ биться случайно раз в 5. «Запас карман не жмет», но денег уже требует [6]. Если хотите использовать библиоте­ ку ране выпускавшихся приборов (мало ли, вдруг где-то пара-тройка модулей пролежала в заначке лет 7...), поставьте птичку в графе: Select your package and device х Add former generation. Надеюсь, что читатель уже полистал ShortForm Semikron, если нет — в элект­ ронном виде можно найти здесь: http:// issuu.com/semikron/docs/semikronshort-form-2011-012 (или запросить у дистрибьютора печатный вариант). По­ этому без лишних обьяснений выбираем первые попавшиеся приборы на 40А, например, миниатюрный SEMITOP SK40DH.

Следующий этап — расчет мощнос­ лельно соединенных на одном ради­ ти потерь и температуры кристалла. аторе модулей — 1; Экран для этого режима приведен на • cooling method — способ охлаж­ рис. 5. дения. Расчет может производиться Берем рекомендованный охлади­ для естественного (natural air) режи­ тель Р14-120 со стандартным вентиля­ ма, режима принудительной венти­ тором и нажимаем Calculate. ляции (forced air) и режима водяного • Ta — температура окружающей сре­ охлаждения (water); ды; • SK model — тип теплостока произ­ • number of switches per heatsink — ко­ водства SEMIKRON, после выбора личество элементов модуля, в нашем автоматически заполняется графа случае (3-фазный выпрямитель) — 6, теплового сопротивления Rth(s-a); number of parallel devices on the • correction factor — с помощью это­ same heatsink — количество парал­ го коэффициента можно изменять

Рис. 5. Исходные данные для теплового расчета трехфазного выпрямительного моста

CHIP NEWS Украина, #07 (107), сентябрь, 2011

Силовая электроника значение теплового сопротивления «теплосток — окружающая среда» Rthha; • flow rate — скорость протекания воздуха или жидкости в режиме при­ нудительного охлаждения; • self defined heatsink — вводятся па­ раметры теплоотвода пользователя; • fixed heatsink temperature — расчет перегрева кристалла относительно температуры окружающей среды при фиксированной температуре радиатора. Результаты расчетов можно увидеть на рис. 6. В таблице результатов кроме входных данных и конфигурации схемы приводятся следующие параметры: • VTO25(125) — прямое падение напряже­ ния; • rT25(125) — динамическое прямое сопротивление; • Lossesdevice — потери на одном диоде; • LossesTOT — суммарные потери. С помощью соответствующих кно­ пок можно вернуться в любую точку программы, изменить исходные данные и повторить расчет. В конце расчета программа сообщит свое мнение о вы­ бранном элементе и теплоотводе: • This configuration works fine — сило­ вой элемент и радиатор выбраны правильно, температура кристалла в режиме перегрузки не превышает 125 °С, обеспечен запас по пере­ грузке (100 °С < Tj < 125 °C).

• This configuration seems to be too powerful — выбран неоправданно мощный элемент, запас по мощнос­ ти слишком велик (Tj < 100 °C).

• Recommendation by SEMIKRON: Do not use semiconductor in the range of Tj(max) = 125 °C — температура кристалла в режиме перегрузки превышает 125 °С, рекомендуется выбрать более мощный элемент или улучшить охлаждение.

• This configuration does not work! — тем­пература кристалла во всех ре­ жимах превышает 125 °С, необходи­ мо применить более мощный элемент или улучить теплоотвод. Результат... не очень хороший, ибо рекомендация SEMIKRON гласит: «Recommendation by SEMIKRON: Do not use semiconductor in the range of Tj(max) = 125 °C» и, действительно, — максимальная температура кристалла при перегрузке 115 °С. Если температура внутри шкафа возрастет хотя бы на 10 °С (что для прошлогоднего лета было объектив­ ной реальностью), то получим перегрев кристалла. Проверяем, устанавливая в

CHIP NEWS УКРАИНА графе «Ambient and heat sink parameter: Ambient temperature Ta 50». Результат не заставил себя ждать: «Evaluation: This configuration does not work!» Берем радиатор большего разме­ ра: Р16-200. Повторный расчет при той же температуре с новым радиато­ ром показывает успешный результат «This configuration works fine» (забегая вперед, скажем, если радиатор исполь­ зовать «по-хозяйски», т. е. разместить на нем еще чоппер с инвертором, то результат может оказаться плачевным, но до этого еще дойдем). Опять вернемся к статье «Мифы..»[6]. А лучше вспомним Ильфа и Петрова. «На антресолях жила ничья бабушка, которая не доверяла электричеству». Вот так и наш брат-разработчик не очень доверяет заверениям, что печат­ ный монтаж (если грамотно спроек­ тирована плата) позволяет спокойно работать с токами до 50 А. Поэтому пробуем другой вариант (опять же без

объяснения причины выбора) — выбира­ ем модули Semipack1 SKKH42. Проходим последовательность еще раз, начиная с выбора диодно-тирис­ торного модуля. Для чего кликаем внизу кнопку Device Parameter, возвращаем­ ся на страницу выбора, ставим птицу на Semipack and SKKH42. Нажимаем кнопку Calculate — результат: «This configuration seems to be too powerful». Очень большой запас, ибо при пе­ регрузке температура кристалла едва достигает 73 °С. Не по-хозяйски (хотя мы же держим в памяти, что хотим раз­ местить все силовые ключи на одном радиаторе)... Из «чистого интереса» вернемся к радиатору Р14-120 (как поменять, на­ деемся, что грамотный читатель уже запомнил). Результат: температура при перегрузке 79 °С и «This configuration seems to be too powerful». Как гласит народная мудрость «Мо­ дуль, он и на Северном полюсе — мо­ дуль, но очень холодный».

Рис. 6. Результаты расчета трехфазного выпрямительного моста

www.chipnews.com.ua

Силовая электроника

ИНЖЕНЕРНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА Предоставим читателю возможность самостоятельно оценить возможность применения в этой схеме SKKH27. Дотошный читатель логичное объ­ яснение этому «чуду» найдет самосто­ ятельно. Тормозной чоппер

В

ыбираем конфигурацию силовой части DC/DC Buck. «Почему?» — тут же спросит дотошный читатель. А для теплового расчета нет никакой разни­ цы, куда вешать тромозной (Brake) ре­ зистор. Точно так же никакой разницы нет между полупроводниковыми крис­ таллами в конфигурациях GAR и GAL Semikron. Они симметричны. Но вот какие параметры вводить для расчета? Исторически сложилось, что в элект­ роприводе переменного тока свой­ства тормозного ключа зависят от механиз­ ма, в котором привод применяется. По­ этому такое разделение оставим на совести инженеров-приводчиков и со­ гласимся с «Маємо те, що маємо». А именно, тормозящий ключ, в зависимос­ ти от применяемых регуляторов и зако­ нов торможения, может быть выбран в

Рис. 7. Результаты расчета тормозного чоппера

двух вариантах: на 33 % номинальной мощности привода или на 100 % (Для справки: 33 % используется для обще­ промышленных приводов, где нужно торможение; 100 % — для высокодин­ мамичных и высокоинерционных). Начнем с общепромышленных с не­ высокой динамикой. Зачем вообще нужен чоппер? При частотном торможении асинхронный двигатель переходит в генераторный режим и кинетическая энергия, запасен­ ная в роторе (и приводимом механиз­ ме), за вычетом мехнанических потерь (трение) и электрических (на активных сопротивлениях статора и ротор), пре­ образуется инвертором назад в элект­

CHIP NEWS Украина, #07 (107), сентябрь, 2011

рическую. При этом напряжение Ud на конденсаторах звена растет. Вот для рассеяния этой возвращаемой энер­ гии и применяется тормозящий ключ с тормозящим резистором (ва­риант ре­ куперации не рассматриваем). При вы­ делении ее на тормозящем резисторе напряжение Ud снижается с Ud-max до Ud-min (наперед заданные настраивае­ мые величины). Величина и мощность тормозящего резистора выбирается исходя из следу­ ющих условий: • Rb <= 0.33 × Ud-max/Id nom для об­ щепромышленных приводов; • Rb <= 1.0 × Ud-max/Id nom для высо­ кодинамичных.

Силовая электроника

CHIP NEWS УКРАИНА

Значение Ud-max выбирается исходя из максимально допустимого для конден­ саторной батареи (обычно в звене ис­ пользуют последовательное соединен­ ные электролитические конденсаторы с Uc-nom = 400 V). Поэтому, для обеспе­ чения надежности, с учетом возможного разбаланса емкостей батареи:

Ud-max = 0.9 × 2c-Unom = 720 V. Не вникая в особенности, отме­ тим, что вариант торможения, когда Вrake-ключ полностью открыт, является далеко не оптимальным с точки зрения задач привода. Поэтому используется несколько более сложный алгоритм, при котором ток через тормозной резистор стабилизирован, а частота Рис. 8. Результаты расчета трехфазного инвертора ШИМ совпадает с частотой коммута­ ции ключей инвертора. Вот его и рас­ Инвертор IGBT дополнительных факторов, ограничи­ смотрим. вающих число вариантов. Поскольку тобы рассчитать тепловые потери ранее мы решили, что постараемся Ib = 0.33 × d = ~ 14 A Fsw = 4.5 kHz. нашего инвертора, возвращаем­ использовать печатные проводники, то Задаем начальные параметры ся к странице выбора схемы, нажав остановимся на модуле SK75GD12T4T Ud (наше Ud-max) = 720 Uout (наше на кнопку «Change Circuit». Выбира­ (просто исходя из допустимых ампли­ Ud-min) = 620 и переходим к выбо­ ем схему «Inverter 3 Phases» и вво­ тудных значений тока через транзис­ ру компонентов. Вариантов — мас­ дим исходные данные (которые затем торный ключ). са. Остановимся на самом простом: отобразятся в левой колонке рис. 8). Радиатор Р14-120, все ОК. Раз­ SEMITOP SK20GAR123D (from Former Переходим к выбору IGBT-модулей для мещаем на этом же радиаторе чоппер, generation). расчета... глаза разбегаются. Здесь что добавляет к рассеиваемой мощнос­ При Ta = 50 °С получаем предуп­ уже нужен либо кое-какой опыт раз­ ти еще 52 Вт. Пересчитываем — тоже реждение: «Температура перехода работчика, либо перебор нескольких все в порядке, но температура подрос­ 140 °С», что явно не годится. десятков вариантов, либо… введение ла до 127 °С. Дилемма — либо выбрать более мощный ключ, либо более мощный ра­ диатор. Начнем с ключа. Используем модуль SEMITOP SK30GAR123D, что даст нам следующие величины по­ терь (рис. 7): «температура кристалла 102 °С, This configuration works fine». Запоминаем выделяемую мощность: «Ptot 52 W 52 W». Вспоминаем, что использовать три разных радиатора для выпрямителя, ин­ вертора и чоппера «не по-хозяйски» и возвращаемся к... расчету выпрями­ теля. Поскольку чоппер добавит нам 52 Вт тепловых потерь, учтем их в стро­ ке «Additional power source at this heat sink» выбора охладителя. В результате получаем то, что предположили зара­ нее: «Evaluation: This configuration does not work!» Т. е. разместить выпрямитель SK40DH и чоппер SK30GAR123 на радиаторе Р14-120 невозможно в силу перегрева (чем точнее хотите получить результат, тем больше вариантов и ите­ раций придется посчитать). То же самое проделаем для выпрямителя на модулях Semipack1 SKKH42. Температура крис­ таллов модулей выпрямителя подросла до 85 °С, но до граничной 125 °С еще Рис. 9. Результаты расчета трехфазного инвертора, при использовании радиатора P16-200 очень далеко.

Ч

www.chipnews.com.ua

Силовая электроника

ИНЖЕНЕРНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА При Токр = 50 °С, температура кристалла — 139 °С, радиатора — 93 °С (мощность потерь в самом «плохом» случае: минимальная выходная частота инвертора + 20 % перегрузка). 93 °С — перебор, «наши люди в булочную на такси не ездят». Поэтому используем Р16-200. Результаты расчета приведе­ ны на рис. 9. Как и следовало ожидать, радиатор холодный —56 °С, температура крис­ талла — 91 °С при перегрузке. Предпоследний этап для проверки. Рассмотрим «самое слабое звено» — вы­ прямитель, с добавлением к нему мощ­ ности, выделяемой чоппером — 52 Вт и инвертором — 388 Вт. Пересчитываем температуру вы­ прямителя и получаем зловещее «This configuration does not work!» Удлинение радиатора не оправды­ вает надежд — та же фраза красным (что мы ранее и предполагали). Делаем ход конем, меняем выпря­ мительный мост на более мощный — SK70DH. И через несколько секунд убеждаемся, что если разместить на охладителе типа Р16-200 и диодный мост, и чоппер, и инвертор, кристаллы этих модулей будут чувствовать себя более чем комфортно. Увеличение частоты ШИМ до 12 кГц для инверто­ ра увеличит тепловые потери в инвер­ торе до 669 Вт. Однако, пересчитав тепловой режим, убеждаемся: крис­ таллы IGBT модулей уже будут рабо­ тать в режиме, близком к предельному, но выпрямитель останется в норме (Тохл = 85 °С). Распределение тепла

В

предыдущем разделе мы установили, что на одном радиаторе Р16-200 можно разместить все три теп­ловыде­ ляю­щих элемента нашего преобразо­ вателя частоты. Невыясненным остается вопрос «Как их разместить?». Ведь мы получили среднюю температуру ради­ атора, которая эквивалентна «средней температуре по больнице». Для того чтобы оценить взаимовлияние модулей и распределение температурного поля по радиатору, воспользуемся програм­ мой R-Theta [8]. Дадим возможность чи­ тателю самостоятельно разобраться с настройками этой программы. Поэтому лишь заметим, что визуализация про­ цесса распределения тепла в радиа­ торе позволяет оценить эффективность охлаждающей системы, что наглядно демонстрирует рис. 10.

Рис. 10. Распределения тепла в радиатор

Грамотное разнесение силовых мо­ у официальных дистрибьюторов и в цен­ дулей на поверхности радиатора улуч­ трах технической поддержки компании шает картину распределения тепла, что в Киеве. эквивалентно уменьшению теплового сопротивления. Более подробную информа­ цию о модулях SEMITOP компа­ нии SEMIKRON можно получить в Заключение НПО «ТЕХНОСЕРВИСПРИВОД»: 03057, г. Киев, авно прошли времена, когда выбор пр. Победы, 56, оф. 341, силового ключа осуществлялся на тел.: (044) 454-2517, 454-25-59, основании его номинального тока, а факс (044) 458-47-66, для повышения надежности рекомен­ sales@semikron.com.ua, довалось использовать двойной запас www.semikron.com.ua по мощности. Цель современного раз­ работчика — обеспечение высокой на­ Литература: дежности при использовании предель­ ных режимов работы компонентов плюс 1. Wintrich A. Free help with your con­ минимальные сроки проектирования. verter design. Semikron Elektronik, 2006. Решение этой задачи немыслимо без 2. Srajber D., Lukasch W. The calculation специализированного программного of the power dissipation for the IGBT обеспечения, призванного максималь­ and the inverse diode in circuits with но упростить и автоматизировать про­ si­nu­soidal output voltage. Semikron цесс проектирования, устранить воз­ Elektronik, 1996. можные ошибки, оптимизировать выбор 3. Freyberg M., Scheuermann U. Mea­ элементной базы. su­ring Thermal Resistance of Power Mo­ Программа SemiSel пригодна для dules. PCIM Europe J. 2003. анализа большинства существующих 4. Колпаков А. И. Обеспечение надеж­ практических схем [9], позволяет опти­ ности силовых IGBT модулей // Элект­ мально выбрать режимы работы и ус­ ронные компоненты, 2003, № 4. ловия охлаждения и требует от пользо­ 5. Колпаков А. И. Методы оценки на­ вателя ввода только числовых исходных дежности IGBT модулей Semikron в пре­ данных. Удобный интерфейс, поясне­ дельных режимах // Силовая электро­ ния, данные для всех режимов работы, ника, 2004, № 1. позволяют использовать программу 6. Колпаков А. И. Мифы и легенды рос­ разработчикам средней квалификации. сийских электронщиков // Компоненты Конечно, компьютер не способен за­ и технологии, 2007, № 9. менить голову разработчика. Знания и 7. Колпаков А. И. Принципы работы опыт в любом случае остаются самы­ и особенности программы теплового ми главными составляющими процесса расчета // Электронные компоненты проектирования. Специализированное 2004, № 6. программное обеспечение — это, пре­ 8. Колпаков А. И. Тепловое моделиро­ жде всего очень хороший инструмент вание — просто и доступно // Элект­ для грамотного инженера, помогающий ронные компоненты, 2008, № 8. избежать массы ошибок, быстро про­ 9. Колпаков А. І., Мисак Т. В., Полі­ анализировать различные варианты щук С. Й. Программа теплового расче­ схемы и выбрать из них лучший. В ре­ та SEMISEL 3.1 — новые возможности и зультате сокращается время и повыша­ перспективы //Технічна електродинамі­ ется качество разработки. ка. Силова електроніка та енергоефек­ Постоянные заказчики Semikron мо­ тивність. — Тематичний випуск, 2008, гут получить локальные версии SemiSel Ч2, с. 114–119.

Д

CHIP NEWS Украина, #07 (107), сентябрь, 2011