Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hóa đã mang lại nhiều thay đổi cho đất nước, đặc biệt là lĩnh vực Tự Động Hóa. Công nghệ tự động hóa đã mang lại nhiều lợi ích cho con người như tăng suất, giảm nhân công lao động, hạ giá thành sản phẩm. Hơn nữa Tự Động Hóa còn giúp con người tránh phải làm việc ở môi trường bất lợi hay khó tham gia. Chính vì vậy tự động hóa đóng vai trò ngày càng quan trọng trong đời sống, cũng như trong công nghiệp. Trong công nghiệp máy điện không đồng bộ ba pha là loại động cơ chiếm một tỷ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, nguồn cung cấp lấy ngay trên lưới điện, dải công suất động cơ rất rộng từ vài trăm W đến vài ngàn kW. Tuy nhiên các hệ điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ có tỷ lệ nhỏ hơn so với động cơ một chiều. Nhưng với sự ra đời và phát triển nhanh của công cụ bán dẫn công suất như: Điôt, Tranzitor, Thyristor, IGBT… thì các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ mới được khai thác mạnh hơn. Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất. Cũng với lý do đó, chúng em được làm đồ án môn học điện tử công suất.
Choose VGG+ = 15 V to insure that MOSFET driven well into ohmic range to minimize on-state losses RG > 15 - = 30 ohms -10 (4x10 )(5x108) Estimate of RG at MOSFET turn-off: 100 VGG- + + 20 5x108 V/sec > (RG)(4x10-10) Choose VGG- = -15 V to insure that MOSFET is held in off-state and to minimize turn-off times 15 + = 115 ohms RG > (4x10-10)(5x108) Satisfy both turn-on and turn-joff requirements by choosing VGG+ = VGG= 15 V and RG > 115 ohms 28-2 a Circuit diagram shown below + R G1 Tsw V = 1000 V d - R I o = 200 A Df G2 Qs RG2 1000 When FCT is off we need VKG = (1.25) 40 = 31.25 V = (1000) R G1 + RG2 Now R G1 + RG2 = 10-6 ohms so 31.25 = (1000) (10-6) RG2 RG2 = 31.25 kW and RG1 = 969 kW Choose VGG+ = 15 V to insure that MOSFET driven well into ohmic range to minimize on-state losses RG > 15 - = 30 ohms -10 (4x10 )(5x108) Estimate of RG at MOSFET turn-off: 100 VGG- + + 20 5x108 V/sec > (RG)(4x10-10) Choose VGG- = -15 V to insure that MOSFET is held in off-state and to minimize turn-off times 15 + = 115 ohms RG > (4x10-10)(5x108) Satisfy both turn-on and turn-joff requirements by choosing VGG+ = VGG= 15 V and RG > 115 ohms 28-2 a Circuit diagram shown below + R G1 Tsw V = 1000 V d - R I o = 200 A Df G2 Qs RG2 1000 When FCT is off we need VKG = (1.25) 40 = 31.25 V = (1000) R G1 + RG2 Now R G1 + RG2 = 10-6 ohms so 31.25 = (1000) (10-6) RG2 RG2 = 31.25 kW and RG1 = 969 kW b MOSFET characteristics - large on-state current capability - low Ron - low BVDSS (BVDSS of 50-100 V should work) Chapter 29 Problem Solutions 29-1 Assume Ts = 120 °C and T a = 20 °C 0.12 ; A in m2 ; Eq (29-18) Rq,rad ≈ A Èd ˘ Í vert˙ 1/4 Rq,conv ≈ (1.34)(A) Î DT ˚ ; Eq (29-20) Rq,conv ≈ 0.24 1/4 for DT = 100 °C A [dvert] A cube having a side of length dvert has a surface area A = [dvert]2 Rq,conv ≈ 0.4 [dvert]1.75 0.02 ; Rq,rad ≈ [dvert]2 Rq,conv Rq,rad Rq,sa = net surface-to-ambient thermal resistance = R q,conv + Rq,rad Rq,sa = 0.04 1.75 [dvert] + [dvert]2 Heat Sink # Volume [m]3 7.6x10-5 10-4 1.8x10-4 2x10-4 3x10-4 dv = (vol.)1/3 [m] 0.042 0.046 0.057 0.058 0.067 A = [dv]2 [m]2 0.011 0.013 0.019 0.002 0.027 dv1.75 0.004 0.046 0.0066 0.0069 0.0088 dv2 0.0018 0.0021 0.0032 0.0034 0.0045 Rq,sa [°C/W] 5.3 4.5 3.1 2.9 2.3 Rq,sa (measured) 3.2 2.3 2.2 2.1 1.7 Heat Sink # 10 11 12 Volume [m]3 4.4x10-4 6.810-4 6.1x10-4 6.3x10-4 7x10-4 1.4x10-3 dv = (vol.)1/3 [m] 0.076 0.088 0.085 0.086 0.088 0.11 A = [dv]2 [m]2 0.034 0.046 0.043 0.044 0.047 0.072 dv1.75 0.011 0.014 0.013 0.014 0.014 0.021 dv2 0.0058 0.0078 0.0071 0.0073 0.0078 0.012 Rq,sa [°C/W] 1.8 1.4 1.5 1.4 1.3 0.9 Rq,sa (measured) 1.3 1.3 1.25 1.2 0.8 0.65 Heat sink #9 is relatively large and cubical in shape with only a few cooling fins Heat sink #9 is small and flat with much more surface area compared to its volume Large surface-to-volume ratios give smaller values of Rq,sa 29-2 Rq,conv ≈ 0.24 1/4 for DT = 100 °C ; From problem 29-1 A [dvert] Rq,conv ≈ 24 [d vert]1/4 for DT = 100 °C and A = 10 cm2 = 10-3 m2 dvert Rq,conv cm 76 °C/W cm 113 °C/W 12 cm 141 °C/W 20 cm 160 °C/W Volume [m]3 4.4x10-4 6.810-4 6.1x10-4 6.3x10-4 7x10-4 1.4x10-3 dv = (vol.)1/3 [m] 0.076 0.088 0.085 0.086 0.088 0.11 A = [dv]2 [m]2 0.034 0.046 0.043 0.044 0.047 0.072 dv1.75 0.011 0.014 0.013 0.014 0.014 0.021 dv2 0.0058 0.0078 0.0071 0.0073 0.0078 0.012 Rq,sa [°C/W] 1.8 1.4 1.5 1.4 1.3 0.9 Rq,sa (measured) 1.3 1.3 1.25 1.2 0.8 0.65 Heat sink #9 is relatively large and cubical in shape with only a few cooling fins Heat sink #9 is small and flat with much more surface area compared to its volume Large surface-to-volume ratios give smaller values of Rq,sa 29-2 Rq,conv ≈ 0.24 1/4 for DT = 100 °C ; From problem 29-1 A [dvert] Rq,conv ≈ 24 [d vert]1/4 for DT = 100 °C and A = 10 cm2 = 10-3 m2 dvert Rq,conv cm 76 °C/W cm 113 °C/W 12 cm 141 °C/W 20 cm 160 °C/W B 160 B 140 120 R q ,conv °C/W B 100 80 B 60 40 20 0 10 12 14 16 18 20 dvert [cm] 29-3 Rq,conv ≈ (1.34)(A) Èd ˘ Í vert˙ 1/4 ; Eq (29-20) Î DT ˚ Rq,conv ≈ 353 [DT]-.25 A = 10 cm2 and dvert = cm DT Rq,conv 60 °C 127 °C/W 80 °C 118 °C/W 100 °C 112 °C/W 120 °C 107 °C/W B 160 B 140 120 R q ,conv °C/W B 100 80 B 60 40 20 0 10 12 14 16 18 20 dvert [cm] 29-3 Rq,conv ≈ (1.34)(A) Èd ˘ Í vert˙ 1/4 ; Eq (29-20) Î DT ˚ Rq,conv ≈ 353 [DT]-.25 A = 10 cm2 and dvert = cm DT Rq,conv 60 °C 127 °C/W 80 °C 118 °C/W 100 °C 112 °C/W 120 °C 107 °C/W 140 120 B B B B 100 Rq ,conv °C/W 80 60 40 20 60 70 80 90 100 110 120 DT [°C] 29-4 Rq,rad = DT ÊÁ Ê Ts ˆ4 ÊÁ Ta ˆ˜4 ˆ˜ Á ˜ 5.1 A Ë Ë100¯ - Ë100¯ ¯ 120 - Ta(° C) Rq,rad = 196 È ÈÍTa(° K)˘˙4 ˘˙ Í Î239 - Î 100 ˚ ˚ ; Eq (29-17) ; A = 10 cm2 and Ts = 120 °C Ta Rq,rad °C 128 °C/W 10 °C 123 °C/W 20 °C 119 °C/W 40 °C 110 °C/W 140 120 B B B B 100 Rq ,conv °C/W 80 60 40 20 60 70 80 90 100 110 120 DT [°C] 29-4 Rq,rad = DT ÊÁ Ê Ts ˆ4 ÊÁ Ta ˆ˜4 ˆ˜ Á ˜ 5.1 A Ë Ë100¯ - Ë100¯ ¯ 120 - Ta(° C) Rq,rad = 196 È ÈÍTa(° K)˘˙4 ˘˙ Í Î239 - Î 100 ˚ ˚ ; Eq (29-17) ; A = 10 cm2 and Ts = 120 °C Ta Rq,rad °C 128 °C/W 10 °C 123 °C/W 20 °C 119 °C/W 40 °C 110 °C/W 140 120 R B B B B 100 q ,rad 80 [ °C / W ] 60 40 20 0 10 15 20 25 30 35 Ta [°C ] 29-5 Rq,rad = DT ÊÁ Ê Ts ˆ4 ÊÁ Ta ˆ˜4 ˆ˜ Á ˜ 5.1 A Ë Ë100¯ - Ë100¯ ¯ Ts(° C) - 40 Rq,rad = 196 ÈÈT (° K)˘4 ˘˙ ÍÍ s ˙ ÎÎ 100 ˚ - 96˚ ; Eq (29-17) ; A = 10 cm2 and Ta= 40 °C Ts Rq,rad 80 °C 114 °C/W 100 °C 120 °C/W 120 °C 110 °C/W 140 °C 101 °C/W 40 140 120 R B B B B 100 q ,rad 80 [ °C / W ] 60 40 20 0 10 15 20 25 30 35 Ta [°C ] 29-5 Rq,rad = DT ÊÁ Ê Ts ˆ4 ÊÁ Ta ˆ˜4 ˆ˜ Á ˜ 5.1 A Ë Ë100¯ - Ë100¯ ¯ Ts(° C) - 40 Rq,rad = 196 ÈÈT (° K)˘4 ˘˙ ÍÍ s ˙ ÎÎ 100 ˚ - 96˚ ; Eq (29-17) ; A = 10 cm2 and Ta= 40 °C Ts Rq,rad 80 °C 114 °C/W 100 °C 120 °C/W 120 °C 110 °C/W 140 °C 101 °C/W 40 120 B B B B 100 R q,rad 80 [ °C / W ] 60 40 20 80 90 100 110 120 130 140 T s [ °C ] 29-6 PMOSFET,max = 150 ° C - 50 ° C ° C/W = 100 W ; 100 W = 50 + 10-3 fs Solving for fs yields fs = 50 kHz 29-7 PMOSFET = 50 + 10-3 • 2.5x104 = 75 W Rq,ja = Rq,jc + Rq,ca = 150 ° C - 35 ° C 75 W Rq,ca = 1.53 - 1.00 = 0.53 °C/W = 1.53 °C/W 120 B B B B 100 R q,rad 80 [ °C / W ] 60 40 20 80 90 100 110 120 130 140 T s [ °C ] 29-6 PMOSFET,max = 150 ° C - 50 ° C ° C/W = 100 W ; 100 W = 50 + 10-3 fs Solving for fs yields fs = 50 kHz 29-7 PMOSFET = 50 + 10-3 • 2.5x104 = 75 W Rq,ja = Rq,jc + Rq,ca = 150 ° C - 35 ° C 75 W Rq,ca = 1.53 - 1.00 = 0.53 °C/W = 1.53 °C/W 120 B B B B 100 R q,rad 80 [ °C / W ] 60 40 20 80 90 100 110 120 130 140 T s [ °C ] 29-6 PMOSFET,max = 150 ° C - 50 ° C ° C/W = 100 W ; 100 W = 50 + 10-3 fs Solving for fs yields fs = 50 kHz 29-7 PMOSFET = 50 + 10-3 • 2.5x104 = 75 W Rq,ja = Rq,jc + Rq,ca = 150 ° C - 35 ° C 75 W Rq,ca = 1.53 - 1.00 = 0.53 °C/W = 1.53 °C/W