Тенденции развития транзисторных преобразователей электроэнергии

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

S_TO=1/K_T∆T,

где K_T - 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, S_T , и поверхность, необходимую для их размещения, S_K:

Графическое представление этих зависимостей (рис.3) позволяет рассматривать множество конструкций, каждая из которых характеризуется точкой в координатах S и п, . Выше линии S_T расположены изображающие точки недогретых конструкций, ниже S_T - перегретых. Очевидно, что площадь конструкции минимальна (точка I) при S_T= S_K, 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 S_K=n₂ S₁ и перегретую при заданных условиях теплообмена. Для создания расчетного теплового режима необходима дополнительная теплоотводящая поверхность S_g.

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

S_T=2 S_K

Все выводы остаются справедливыми для объемной модели, состоящей из корпуса с присоединенным к нему ребристым радиатором, если учесть, что в результате преобразования пластины площадью S_g в набор ребер с шагом m получается радиатор, габаритный объем которого равен m S_g. 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 S_Т (см.рис.3) на величину S_Тo Р₀ . При этом все ранее выявленные закономерности сохраняются и изменяются лишь количественно.

Представление в модели индуктивных элементов становится возможным, если в объеме V₁=S₁h размещается трансформатор единичной мощности с сопротивлением омических потерь R1 . Параллельное соединение n таких трансформаторов при неизменном токе нагрузки приводит к уменьшению потерь в n раз. Если в объеме V₁=S₁h размещается конденсатор с сопротивлением потерь R1, то параллельное соединение n таких конденсаторов приводит к уменьшению потерь в n раз. Параллельное соединение любых элементов совершенно не обязательно понимать в буквальном смысле; необходима лишь эквивалентность параметров.

Поэтому исходная модель и основной параметр R₁S₁ являются достаточно обобщенными для того, чтобы полученные выводы были полезны для оценки методов миниатюризации различных классов преобразовательных устройств. К тому же не следует сводить все проблемы ИВЭ к созданию только конверторов, которые состоят из разнообразных элементов. Для импульсных регуляторов электродвигателей, устройств коммутации и защиты, регуляторов тока в обмотках управления (возбуждения) модель на основе R₁S₁- элементов применима непосредственно.

Необходимо обратить внимание на результаты использования более совершенной элементной базы при разных подходах к развитию ИВЭ. Если прогресс параметров элементной базы использовать для увеличения Рн / V_K , то при уменьшении площади корпуса ИВЭ будут возрастать все тепловые сопротивления и уменьшаться эффективность радиатора. Возникнет тупиковая ситуация.

Вывод

Если прогресс параметров элементной базы, т.е. уменьшение R₁S₁ использовать для создания конструкций, близких к оптимальным, будет обеспечено непрерывное увеличение реальной удельной мощности устройств

Рн /V_t и повышение их КПД при отсутствии теоретического предела такому, совершенствованию преобразовательных устройств.

Литература

1. Конев Ю.И. Некоторые предельные возможности миниатюризации силовых полупроводниковых устройств. - ЭТВА, 3. - М.: Советское радио, 1972. - С.3-16.

2. Ковев Ю.И. Энергетические возможности миниатюризации силовых полупроводниковых интегральных устройств. - ЭТВА, №4. - М.: Советское радио, 1973. - С.3-16.

3. Ковев Ю.И. О миниатюризации вторичных источников питания. -ЭТВА, & 5. - М.: Советское радао, 1973.- С.З-І2.

4. Машуков Е.В., Конев Ю.И. МДП-транзисторы в ключевых регуляторах мощности. - ЭТВА, А 6. - М.: Советское радио, 1974,-С.13-23.

5. Тодд П. Импульсные источники питания становятся системными компонентами. - Электроника/Пер.с англ., - № 9-10. - М.: Мир, 1992. - С.75, 76.

6. Кашкаров А.П., Колдунов А.С. Оригинальные конструкции источников питания. – М., ДМК- Пресс, 2010 – 160 с.