Lựa chọn bóng bán dẫn MIS cho bộ biến đổi điện áp của ULF ô tô. Bách khoa toàn thư về điện tử vô tuyến và kỹ thuật điện

Bách khoa toàn thư về điện tử vô tuyến và kỹ thuật điện / Bộ chuyển đổi điện áp, bộ chỉnh lưu, bộ biến tần

 Bình luận bài viết

1. Học cách đọc các nguồn chính

“Trong tất cả các thông số của bóng bán dẫn MIS, thông số quan trọng nhất đối với chúng tôi là điện trở kênh mở.” Klausmobile

Đúng vậy, nhưng nó không phải là duy nhất. Hãy lấy tài liệu về bóng bán dẫn điện (giả sử IRFP054N) và tách nó ra từng phần một. Và trong quá trình thực hiện, chúng tôi sẽ đặt ra các ưu tiên - điều gì quan trọng và điều gì không. Tôi sẽ nói ngay rằng dựa trên ba thông số chính - điện trở kênh Rds, Vbrds điện áp hoạt động nguồn cực đại và Id dòng điện kênh, có thể rút ra kết luận, nhưng nên vận hành với một bộ dữ liệu hoàn chỉnh. Nếu chỉ vì thông số tối đa cho phép ở +25C đảm bảo sẽ tiêu diệt thiết bị ở 100C. Ngoài ra, dữ liệu giới hạn do các nhà sản xuất khác nhau giải thích không phải lúc nào cũng có thể so sánh được.

Vì vậy, hãy đọc tài liệu

Mức cao tuyệt đối

Dòng xả không đổi ở Vss=10V: Id=81A ở 25C, Id=57A ở 100C. Và ghi chú có nội dung - “Được tính toán dựa trên khả năng chịu nhiệt tối đa (lý tưởng) của vỏ máy.” Vì vậy, nó là không thể đạt được trong cuộc sống thực. Chúng tôi sẽ tự xác định dòng điện giới hạn dựa trên công suất nhiệt, chu kỳ nhiệm vụ xung và điện trở kênh hợp lý.

Dòng xả xung Id=290A (có mức đặt trước tương tự). Tuyệt vời, nhưng không thể tiếp cận được.

Nhiệt lượng tiêu tán ở 25C Pmax=170W và hệ số nhiệt độ giảm dần LDF(Pmax)=-1.1W/C. Hai thông số này luôn tồn tại không thể tách rời. Rốt cuộc, khi tinh thể được nung nóng đến 125C (điều này là bình thường), công suất tối đa cho phép giảm xuống 170-1.1*(125-25)=60W. Đây là 60 W và có mức dự trữ - 50 W, và bây giờ chúng ta sẽ tập trung vào.

Giới hạn điện áp nguồn cổng (Vgs) - +/- 20V. Đủ an toàn cho mạng 12V.

Cách nhiệt

Vỏ nối PN - Rjc=0.9 C/W. Điều này có nghĩa là với tổn thất nhiệt 50W, nhiệt độ vùng làm việc của tinh thể sẽ cao hơn 0.9 * 50 = 45 độ so với nhiệt độ của thân bóng bán dẫn (tức là thấp hơn nhiệt độ trung bình của bộ tản nhiệt) .

Vỏ tản nhiệt, bề mặt phẳng có bôi mỡ silicon - Rcs=0.24 C/W. Những thứ kia. 60W sẽ mất thêm 12C nhiệt. Với miếng đệm mica thì sẽ tệ hơn một chút. Một lập luận khác ủng hộ các bóng bán dẫn bị cô lập hoàn toàn. Than ôi, vẫn còn ít và chó rất quý giá...

Không khí chuyển tiếp PN (khi không có bộ tản nhiệt) - Rja=40C/W. Điều đáng lẽ phải được chứng minh là nếu không có bộ tản nhiệt thì thiết bị sẽ vô dụng.

Thông số điện (ở 25C tại điểm nối pn)

Thông số điên rồ. Tính đến những điều trên, 25C tại ngã tư chỉ có thể xảy ra vào mùa đông rất lạnh. Vì vậy, sự phụ thuộc nhiệt độ của tất cả các thông số là vô cùng quan trọng. Cảm ơn Chúa, IR không nói dối và nói về họ một cách trung thực.

Điện áp đánh thủng của kênh đóng là Vbrds=55V (Vgs=0V, dòng ngưỡng kênh 250μA) và hệ số nhiệt độ giảm LDF(Pmax)=-0.06W/C. Những thứ kia. ở 125C Vbrds sẽ giảm xuống 49V. Hai kết luận tốt. Đầu tiên, sự dao động điện áp ở cống bằng hai điện áp cung cấp (tức là tối đa 30V) cộng với sự dao động không thể tránh khỏi khi chuyển mạch (thêm 10V khác) - tổng cộng là 40V, rõ ràng là phù hợp với định mức. Thứ hai, nếu 250 µA đã khá lớn và được coi là dòng điện “đánh thủng”, thì dòng rò thông thường của một bóng bán dẫn đóng thậm chí còn thấp hơn một bậc cường độ (25 µA ở 25C và Vds = 55V, nhưng 250 µA ở 150C) . Và tất nhiên là không cần phải ngắt kết nối nó (bộ chuyển đổi) khỏi pin ở vị trí không hoạt động.

Điện trở kênh mở ở Id=43A và Vgs=10V: Rds=12mOhm (milliOhm). Sức đề kháng tốt. Tinh thể đơn tốt nhất về mặt này, IRFP064N, có 6.4 mOhm (đó là mức điện trở thấp nhất vào năm 1999. Thời thế thay đổi - 2002...). Ít hơn - chỉ dành cho các mô-đun nhiều chip. Và cách nó hoạt động khi nhiệt độ tăng được thể hiện trong biểu đồ 4. Khi nhiệt độ giảm xuống -40C, điện trở giảm 25%. Ở 100C - tăng 40%. Ở 175C nó tăng gấp đôi. Do đó, trong các tính toán tiếp theo, tôi luôn vận hành với điện trở “định mức” gấp đôi.

Điện áp ngưỡng cổng Vgsth=2.0..4.0V tại Id=250μA. Đồ thị 3 cho thấy sự phụ thuộc nhiệt độ của đặc tính truyền. Rõ ràng là 8V là khá đủ để đảm bảo mở hoàn toàn kênh. “Và mọi thứ khác không quan trọng với tôi.”

Dòng rò cổng IGSS=100nA không gây hứng thú cho chúng tôi.

Tổng điện tích cổng là 130nC tại Vgs=10V, Vds=43V. Tham số này xác định các yêu cầu đối với mạch kích hoạt (trình điều khiển cổng). Để tính toán gần đúng mạch như vậy, hãy xem tài liệu về cách sử dụng IC TL494 trên trang web của tôi. Một cách gián tiếp, nó cũng xác định độ an toàn nhiệt của bóng bán dẫn, vì phần nhiệt chính được giải phóng chính xác trong quá trình chuyển tiếp. Và biểu đồ 6 cho thấy sự phụ thuộc của nó vào điện áp cổng. Có thể thấy, thứ nhất, “điện dung” cổng là phi tuyến, thứ hai, điện tích cần thiết để mở và đóng kênh với nguồn điện 12V sẽ không giống nhau. Và thứ hai, nó thực tế không phụ thuộc vào điện áp cung cấp trên kênh.

Độ trễ thời gian bật và tắt đều có độ trễ không quá 66 ns, phù hợp với chúng tôi.

Bể đầu vào và đầu ra - chúng ta đã nói về bể đầu vào. Đầu ra xác định sự cộng hưởng của mạch thoát nước, được xử lý bằng bộ giảm chấn RC. Tuy nhiên, so với bộ dao động do chính tải tạo ra (bộ chỉnh lưu biến áp) thì chúng không nghiêm trọng.

Thông số Diode Freewheel chúng tôi không đặc biệt quan tâm

Tổng cộng là bao nhiêu?

2. Đếm trên đầu ngón tay

tôi đã trang điểm một dấu hiệu đơn giản (trong Excel 98), trong đó bạn có thể đánh giá các điều kiện nhiệt và hiệu suất của mạch sơ cấp của bộ chuyển đổi - tức là. tổn hao trên các thiết bị đóng cắt và cuộn sơ cấp. Tổn thất được trình bày dưới dạng tổng tổn thất của trạng thái mở (xem đoạn trên) và trạng thái chuyển tiếp.

Tổn hao ở trạng thái tỷ lệ với bình phương của dòng điện đầu vào (tức là bình phương mức tiêu thụ điện năng), tổn thất nhất thời tỷ lệ tuyến tính với dòng điện đầu vào (công suất). Có thể thấy, tổn thất nhất thời chiếm ưu thế ở công suất thấp; ở công suất cao, tổn thất trên điện trở kênh hở tăng lên và làm giảm mạnh hiệu suất của mạch sơ cấp. Đồng thời, tổn thất nhiệt khá thấp. Những thứ kia. việc chọn một bóng bán dẫn trong gói TO-247 hoặc TO-3 lớn đắt tiền là không chính đáng - gói TO-220 nhỏ hơn sẽ không cung cấp điều kiện nhiệt kém hơn. Về hiệu quả tản nhiệt và độ tin cậy của thiết kế, tác giả ủng hộ TO-220 cách nhiệt hoàn toàn (ví dụ: IRFI1010N).

Vậy làm thế nào để chọn một bóng bán dẫn cho bộ khuếch đại có công suất đầu ra Ru=200W? Hãy đặt tổn thất tối đa - 12.5% ở trạng thái mở, 7.5% ở trạng thái nhất thời, đây chỉ là ở mạch sơ cấp ở công suất tối đa. Giả sử hiệu suất mạch thứ cấp là 13%, chúng ta có hiệu suất tổng thể là 67%. Giả sử hiệu suất của bản thân bộ khuếch đại cũng là 67% ở công suất tối đa Pу (giả sử là 200 W), chúng ta có Pin = 2.2 Py = 440 W. Trong trường hợp này, dòng điện đầu vào trung bình Iin = 440W / 12V = 37A và dòng điện của các công tắc mở có tổng chu kỳ làm việc là 80% là 37A/0.8 = 46A. Tổn thất không được vượt quá 55W ở trạng thái mở và 33W trong quá trình nhất thời. Vì Rotkr=I^2 *Rds (luật Joule-Lenz, để tôi nhắc bạn), nên Rds không được vượt quá 55W/(46A)^2, tức là. 26 mOhm - nhân đôi giá trị "hộ chiếu". Do đó, IRFP054N hầu như không có biên độ. Nhưng IRFI1010N và BUZ100 sẽ khớp theo cách tương tự (đương nhiên là trong TO-220 chứ không phải vỏ SMD). Tuy nhiên, các bóng bán dẫn BTS131 có Rds=0.06 Ohm sẽ phải được lắp đặt tối đa 5-6 miếng trên mỗi nhánh, nhưng yêu cầu làm mát cho mỗi nhánh cũng sẽ giảm đáng kể. Điều này thường được sử dụng bằng cách lắp pin của các thiết bị MiniDIP hoặc SMD mà không cần bộ tản nhiệt. Tất nhiên, các bóng bán dẫn song song đòi hỏi kỹ thuật thiết kế mạch và bố trí bo mạch đặc biệt, nhưng với công suất đầu ra trên 200-250W thì đơn giản là chưa có đầu ra nào khác. Tôi giới thiệu những người tò mò đến bài báo lịch sử của Shikhman trong “Master 12 Volt” về thiết kế của bộ khuếch đại Lantsarov

Đối với công suất tiêu tán ở các mặt trước, thực tế nó không phụ thuộc vào Rds - chỉ phụ thuộc vào dòng điện và thời lượng của mặt trước. Hoàn toàn có thể đặt nó vào 2-3 phần trăm của thời gian và đóng vấn đề đối với bất kỳ dòng điện cho phép nào.

3. Tóm tắt

Chúng tôi chọn các bóng bán dẫn điện áp thấp (Vbrds = 55-100V) trong gói TO-220, hoặc thậm chí tốt hơn TO-220 Fullpak, dựa trên điện trở kênh danh nghĩa