Курсовая работа: Проблемы развития источников вторичного электропитания

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 nопределяем 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 Sи п, . Выше линииS_T расположены изображающие точки недогретых конструкций, нижеS_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 Sобъемом 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 mполучается радиатор, габаритный объем которого равен mS_g . Тогда суммарный объем корпуса и радиатора определяется выражением

Для плоских конструкций приh=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_{Т o} Р₀ . При этом все ранее выявленные закономерности сохраняются и изменяются лишь количественно.

Представление в модели индуктивных элементов становится возможным, если в объеме V₁ =S₁ hразмещается трансформатор единичной мощности с сопротивлением омических потерьR1 . Параллельное соединение nтаких трансформаторов при неизменном токе нагрузки приводит к уменьшению потерь в nраз. Если в объеме V₁ =S₁ hразмещается конденсатор с сопротивлением потерь R1, то параллельное соединение nтаких конденсаторов приводит к уменьшению потерь в nраз. Параллельное соединение любых элементов совершенно не обязательно понимать в буквальном смысле; необходима лишь эквивалентность параметров.

Поэтому исходная модель и основной параметр R₁ S₁ 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 R₁ S₁ - 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.