Полумостовой преобразователь

- коэффициент формы тока , протекающего через прибор;

Определим средний ток  протекающий через диод:

Таким образом 

2) Эквивалентная температура  полупроводниковой структуры определяется  выражением

где - температура окружающей среды (или охлаждающего агента при принудительном охлаждении) , °С;

- общее установившееся тепловое  сопротивление,

(зависит от типа  охладителя и интенсивности охлаждения), °С/Вт.

выполняться условие  нормальной работы прибора 

_.

Расчет RC цепи.

При приложении обратного напряжения через оба силовых диода протекает один и тот же ток, но, вследствие различных вольт-амперных характеристик, к этим приборам будут приложены различные обратные напряжения. Это надо в обязательном порядке учитывать при последовательном включенными, т.к. может оказаться больше максимально допустимого значения.

При последовательном соединении на приборах с меньшим обратным током  или током в закрытом состоянии  падает большая часть напряжения. С целью выравнивания напряжения на диодах параллельно каждому из них включается шунтирующий резистор , сопротивление (Ом) которого может быть взято из расчета:

,

где - количество последовательно включенных диодов, - максимально допустимое обратное напряжение на диоде, - максимально допустимый обратный ток диода.  Таким образом

.

Сопротивление резистора  необходимо выбирать меньше рассчитанного. Выберем значение сопротивления 213кОм. Рассчитаем мощность на резисторе:

.

Из справочника [4] выбираем резисторы: ВС-5Вт-215кОм±5% - 4 штуки.

Для выравнивания напряжения на последовательно включенных управляемых  приборах в переходных режимах параллельно  этим приборам включаются конденсаторы, емкость, мкФ, которых ориентировочно определяется по формуле:

,

где - максимальный разброс сохраненного заряда в диодах, . Таким образом

.

Из [5] выберем конденсаторы: К72П-6-1600В-4.7нФ±5% - 4 штуки.

 

Выбор транзисторов  VT1, VT2.

 

Приведем диаграммы  токов и напряжений на транзисторах:

Рис. 5.6 – Диаграммы токов и  напряжений на транзисторах полумостового  преобразователя.

 

Из диаграмм видно, что  максимальное напряжение на транзисторах равно . Определим параметры для выбора транзисторов полумостового преобразователя:

;

;

.

Выберем IGBT [8] транзисторы компании SEMICRON – SKM 100GB125DN. Выбранный элемент содержит в своем корпусе два транзистора. Основные параметры данных транзисторов приведены в приложении.

Тепловой расчет транзисторов.

Полная мощность, выделяющаяся на транзисторе, определяется как сумма  статических потерь и потерь на переключении. Статические потери:

.

Потери на переключение:

.

Таким образом, полные потери будут составлять .

Эквивалентная температура  полупроводниковой структуры определяется выражением

где - температура окружающей среды (или охлаждающего агента при принудительном охлаждении) , °С; - общее установившееся тепловое сопротивление, (зависит от типа охладителя и интенсивности охлаждения), °С/Вт.

Видно, что условие нормальной работы полупроводникового элемента не выполняется, следовательно, необходимо ставить радиатор. Определим необходимое сопротивление радиатор-среда:

.

Выберем радиатор марки - 530002B02500G, .

Из справочника [5] выбираем конденсаторы полумостового преобразователя: К52-5-450В-10мкФ±5% - 2 штуки.

 

 

Расчет  силового трансформатора.

В качестве магнитного [6] материала выберем феррит 2000НМ.

Исходные данные:

Рассчитаем произведение :

.

     Из справочника выбираем магнитопровод из феррита – ОЛ80/128 - 50.

.

Расчет количества витков первичной обмотки:

.

Число витков вторичных  обмоток трансформатора:

.

Определим действующие  токи обмоток трансформатора:

;

.

Определим площадь сечения  проводов обмоток:

  

Из справочника выбираем провода [7]:

Для первичной обмотки  – ПБД   .

Для вторичных обмоток – ПБД     

Проверим коэффициент  заполнения окна

.

 

5.2 Расчет выпрямителя.

Выпрямитель построен по мостовой схеме.

Рис. 5.7 – Схема мостового трехфазного выпрямителя

 

Так как средний ток через конденсатор равен нулю в установившемся режиме, следовательно, можно считать, что средний ток диодов выпрямителя равен среднему току полумостового преобразователя.

Емкость конденсатора , можно оценить по формуле:

,

где - средний ток потребляемый полумостовым преобразователем, - напряжение пульсации. Зададим напряжение пульсации на уровне 5% от выпрямленного напряжения. Средний ток полумостового преобразователя равен среднему току первичной обмотки силового трансформатора, который рассчитывался ранее: . Частота потребляемого тока от выпрямителя равно двойной частоте работы силовых транзисторов – 100кГц. Таким образом,

.

Из справочника [5] выбираем конденсатор: К52-5-600В-6.8мкФ±5%.

Диоды выпрямителя должны иметь следующие параметры:

В качестве диодов выберем [8] модуль SKD80D12F, который содержит в себе шесть диодов включенных по схеме трехфазного выпрямителя. Параметры данных диодов приведены в Приложении.

 

5.3 Расчет ШИМ-контроллера и цепь обратной связи.

В качестве ШИМ-контроллера  выберем микросхему UC3825. Цепь обратной связи организована на микросхеме аналогового  контроллера UC39432 [9]. Параметры данных микросхем приведены в приложении, соответственно. Схема включения имеет следующий вид:

Рис. 5.8 – Цепь обратной связи и  ШИМ-контроллер

Элементы  обеспечивают напряжение питания для микросхемы аналогового контроллера. Питания данной микросхемы должно быть не более 36В. Выберем стабилитрон на 12В – 2С212В [11]. Параметры данного стабилитрона:

• Минимальное напряжение стабилизации    11.4В
• Номинальное напряжение стабилизации    12В
• Максимальное напряжение стабилизации    12.6В
• Статическое сопротивление       21Ом
• Максимальный ток стабилизации      10мА

Зададим ток стабилизации равным 5мА. Тогда можно произвести расчет резистора  :

;

.

Из справочника [4] выбираем резистор: ВС-5Вт-196кОм±5%

Резисторы представляют собой резистивный делитель, с помощью которого на вход микросхемы аналогового контроллера поступает напряжение обратной связи. Исходя из справочных данных данной микросхемы – на вход SENSE должно поступать напряжение 1.3В при номинальном выходном напряжении. Примем , тогда можно произвести расчет сопротивления резистора и мощностей выделяющихся на резисторах:

;

;

.

Из справочника [4] выбираем резисторы:

- С2-23-0.125Вт-10МОм±5%;

- С2-23-0.062Вт-13кОм±5%.

Конденсаторы  выбираем [5] типовыми для данной микросхемы:

- К76-4-25В-1мкФ±5%;

- К76-4-25В-1мкФ±5%;

- К52-5-25В-22мкФ±5%;

- К76-4-25В-6.8мФ±5%.

Резисторы , также выбирается исходя из технической документации на микросхему аналогового контроллера – . Из справочника [4] выбираем резисторы:

- С2-23-0.062Вт-33Ом±5%;

- С2-23-0.062Вт-59Ом±5%.

При таком значении сопротивления  резистора  максимальный ток протекающий через диод транзисторной оптопары будет составлять:

.

Выберем из справочника [12] транзисторную оптопару – КР249КН-2А, имеющую следующие параметры:

• Предельное выходное напряжение    30В
• Рабочий входной ток       10мА
• Остаточное напряжение      0.4В
• Максимальный выходной ток     10мА .

ШИМ-контроллер.

Данный ШИМ-контроллер формирует опорное напряжение равное 5В. Данное напряжение через резистивный делитель подается на неинвертирующий вход усилителя ошибки . Пусть на неинвертирующий вход усилителя ошибки поступает напряжение – 3В. В этом случае значение данных резисторов должно быть следующими - .

Рассчитаем мощность на данных резисторах:

;

.

Из справочника [4] выбираем резисторы:

- С2-23-0.062Вт-3кОм±5%;

- С2-23-0.062Вт-2кОм±5%.

Если выходное напряжение будет превышать номинальное, то транзистор оптрона будет находиться в открытом состоянии. При этом напряжение, которое будет поступать на инвертирующий  вход усилителя ошибки должно превышать  напряжение на неинвертирующем входе. Пусть при открытом транзисторе на инвертирующий вход поступает напряжение равное 3.5В. Тогда произведем расчет резисторов . Пусть .

.

Мощность на резисторах:

;

.

Из справочника [4] выбираем резисторы:

- С2-23-0.062Вт-953Ом±5%;

- С2-23-0.062Вт-3кОм±5%.

Резистор  и конденсатор определяют частоту работы ШИМ-контроллера. Параметры данных элементов определяются из диаграмм приведенных в описании данной микросхемы контроллера:

Рис. 5.9 – Зависимость сопротивления  от частоты работы при различных  емкостях времязадающего конденсатора

Так как частота работы силовых транзисторов выбрана - 50кГц. Следовательно, при , резистор будет иметь значение сопротивление .

Элементы  являются типовыми для данной микросхемы контроллера:

Из справочника [4] выбираем резисторы  :

- С2-23-0.062Вт-150кОм±5%;

- С2-23-0.062Вт-10кОм±5%.

Из справочника [5] выбираем конденсаторы :

  - К76-4-25В-1мкФ±5%;

  - К76-4-25В-0.1мкФ±5%;

  - К76-4-25В-4.7нФ±5%;

  - К76-4-25В-1мкФ±5%.

Транзисторные оптроны DA2, DA3 необходимы для гальванической развязки схемы управления от драйвера, формирующего импульсы для силовых транзисторов. В качестве оптронов выберем [12] - КР249КН-2А. Данная микросхема содержит в себе пару транзисторных оптронов и имеет следующие параметры:

• Предельное выходное напряжение    30В
• Рабочий входной ток       15мА
• Остаточное напряжение      0.4В
• Максимальный выходной ток     10мА .   

Таким образом можно  рассчитать значения резисторов , принимая во внимание, что выходное напряжение ШИМ-контроллера составляет 13.5В. Пусть ток оптрона составляет 10мА, тогда:

;

.

Из справочника [4] выбираем резисторы  :

- С2-23-0.25Вт-1.37кОм±5%;

- С2-23-0.25Вт-1.37кОм±5%.

 

5.4 Расчет формирователя импульсов

Формирователь импульсов  организован на микросхеме драйвера IR2213. Параметры данной микросхемы приведены  в Приложении.

Рис. 5.10 – Схема формирователя импульсов

Транзисторные оптопары DA1, DA2 были выбраны ранее, при расчете ШИМ-контроллера. Максимальный выходной ток данных элементов должен составлять 10мА. Пусть при открытом транзисторе оптопары ток через нее составляет 8мА. Следовательно, можно рассчитать резисторы :

.

Мощность на резисторах :

.

Из справочника [4] выбираем резисторы  :

- С2-23-0.25Вт-2.49кОм±5%;

- С2-23-0.25Вт-2.49кОм±5%.

Выбранные силовые транзисторы  имеют пороговое напряжение затвор-эмиттер  – 5.5В. Пусть на затвор-эмиттер данных транзисторов прикладывается напряжение 10В. Тогда падения напряжений на резисторах будет составлять . Зададимся током затвора равным 100мА. Тогда . Рассчитаем мощность на резисторах: