Проблемы развития источников вторичного электропитания

Другой вопрос, требующий рассмотрения, - это методы уменьшения статических потерь в транзисторном ключе при заданном токе нагрузки. Этот метод основан на оптимизации плотности тока в силовой цепи параллельно включенных транзисторов при изменении их количества [1].

Энергетические возможности транзистора характеризуются двумя параметрами: произведением площади кристалла (или корпуса) на выход

ное сопротивление R1S1 , ом*см2, и удельной мощностью, затрачиваемой в цепи управления, Pупр1/S1 Вт/ см2. Изменяя количество параллельно включенных транзисторов или площадь кристалла одного транзистора при заданном токе I , т.е. изменяя плотность тока, можно определить условия, при которых суммарная рассеиваемая мощность будет минимальна, и значение этой мощности составит

Суммарная рассеиваемая мощность минимальна при равенстве потерь в выходной цепи и в цепи управления. Абсолютное значение этой мощности в десятки раз меньше, чем в типовых режимах современных МДП-транзисторов, но и плотность тока должна быть уменьшена в десятки раз, что приводит к соответствующему увеличению объема транзистора или транзисторной сборки. Таким образом, методы существенного уменьшения статических потерь в силовых транзисторах и диодах достаточно ясны и весьма эффективны, но их реализация обойдется недешево, так как МДП- транзистор в принципе должен быть дороже диода, а стоимость любого транзистора возрастает с увеличением площади, кристалла. Наблюдается тенденция к повышению частоты коммутации транзисторов до мегагерца и даже нескольких мегагерц с целью уменьшения объема реактивных элементов и ИВЭ в целом. Для всех электротехнических устройств на основе фундаментальных соотношений справедливы зависимости, заключающиеся в том, что по мере увеличения j, β,ω и уменьшается конструктивный объем и увеличиваются потери, т.е. увеличивается необходимая теллоотводящая поверхность. Во всех случаях объем конструкции с заданным перегревом получается минимальным при оптимальном сочетании j, β,ω. Поэтому повышение частоты, если это не есть приближение к ее оптимальному значению, отвлекает силы и средства на создание новой, более дорогой элементной базы, параметры которой должны обеспечивать в первую очередь малые частотные потери, а статические остаются на втором плане. Вновь ничего не делается для повышения КПД, и прогресс ИВЭ сводится к уменьшению конструктивного объема.

2. Тенденции развития транзисторных преобразователей электроэнергии

Тенденции развития транзисторных преобразователей электроэнергии можно в обобщенном виде представить и качественно прогнозировать на основе развития электротепловой модели транзисторной сборки.

Полагаем заданными ток нагрузки I и поверхность, необходимую для теплоотвода I Вт мощности

STO=1/KT∆T,

где KT - коэффициент теплопередачи;

∆T - разность температур переход-среда.

Транзистор представляем выходным сопротивлением R1 и занимаемой им площадью S1. При изменении количества параллельно включенных транзисторов n определяем поверхность, необходимую для отвода тепла, ST , и поверхность, необходимую для их размещения, SK:

Графическое представление этих зависимостей (рис.3) позволяет рассматривать множество конструкций, каждая из которых характеризуется точкой в координатах S и п, . Выше линии ST расположены изображающие точки недогретых конструкций, ниже ST - перегретых. Очевидно, что площадь конструкции минимальна (точка I) при ST= SK, т.е. при оптимальном количестве транзисторов

Этому оптимальному количеству транзисторов соответствуют оптимальная плотность тока и вполне определенное значение КПД при заданном напряжении питания.

Рис.3. Обобщенные тепловые и конструктивные параметры транзисторного ключа как варианты выполнения конструкции при разных плотностях тока

Рассмотрим конструкцию с количеством транзисторов n2≤n1 (точка 2), имеющую меньшую площадь SK=n2 S1 и перегретую при заданных условиях теплообмена. Для создания расчетного теплового режима необходима дополнительная теплоотводящая поверхность Sg.

Новая изображающая точка 3 характеризует конструкцию, состоящую из корпуса сборки с присоединенным к нему радиатором. Суммарная их площадь обязательно больше площади оптимальной конструкции:

Аналитические зависимости и их графическое представление остаются справедливыми для плоской тонкой конструкции высотой h, при замене S объемом V=Sh (пренебрегая теплоотводом от боковых сторон сборки). С учетом двухстороннего теплоотвода надо полагать

ST=2 SK

Все выводы остаются справедливыми для объемной модели, состоящей из корпуса с присоединенным к нему ребристым радиатором, если учесть, что в результате преобразования пластины площадью Sg в набор ребер с шагом m получается радиатор, габаритный объем которого равен m Sg. Тогда суммарный объем корпуса и радиатора определяется выражением

Для плоских конструкций при h=10-20 мм значения h и т обычно очень близки, так как уменьшение шага ребер ограничено условиями теплообмена и толщиной ребер. При этом условии практически всегда справедливо неравенство.

Очевидно, что при неизменных параметрах элементов суммарный объем любой конструкции с присоединенным радиатором больше, чем объем оптимальной конструкции. В общем виде это подтверждается выражениями

Поэтому неограниченное уменьшение конструктивного объема устройства является бессмысленным, так как это приводит к неограниченному увеличению требуемой поверхности теплоотвода.

Переходя от соотношений, справедливых для транзисторной сборки или ключа, к соотношениям для различных преобразовательных устройств, необходимо отметить два основных отличия: не все составляющие потерь пропорциональны второй степени тока; не все элементы силовой части можно представить сопротивлениями.

Составляющая мощности потерь, которая при заданном токе нагрузки постоянна (часть мощности потерь в диодах, составных транзисторах, мощность в цепях управления и пр.), элементарно учитывается в исходном уравнении

Графически это приводит к подъему линии SТ (см.рис.3) на величину SТo Р0 . При этом все ранее выявленные закономерности сохраняются и изменяются лишь количественно.

 Скачать реферат