Теплоотвод в силовых электронных приборах

Тепловые режимы работы силовых электронных ключей

При работе силовых полупроводниковых приборов — диодов, транзисторов, тиристоров и др. — в ключевых режимах в их внутренних структурах происходит выделение активной мощности, которая называется мощностью потерь. Общие потери в ключевом элементе при работе в периодическом импульсном режиме принято разделять на статические и динамические (см. параграф 1.3). Эти потери приводят к нагреву полупроводниковой структуры прибора. Превышение температуры нагрева сверх допустимого значения для данного прибора приводит к выходу его из строя. Поэтому надежная работа прибора определяется не только электрическими параметрами, но и температурой внутренней структуры. Для снижения этой температуры как принимают меры для снижения мощности потерь, в частности динамических, так и используют различные способы отвода тепла от прибора, т.е. его охлаждения. Обычно для этой цели используют металлические теплоотводящие радиаторы различной формы.

Рассмотрим тепловые режимы работы приборов, используя аналогию тепловых и электрических процессов на примере упрощенных схем замещения.

В общем случае анализ тепловых процессов является сложной полевой нелинейной задачей, решение которой требует использования специальных аналитических и вычислительных методов. В целях упрощения будем считать, что тепловые процессы в приборе аналогичны электрическим процессам, протекающим в линейной цепи с сосредоточенными параметрами. Тогда в установившемся тепловом режиме, полагая потери мощности в приборе постоянными и равными среднему значению, можно составить схему замещения (рис. 2.14), где мощность потерь Ри соответствует току, а значения температуры в различных частях прибора 7} — потенциалам напряжения. Эти параметры связаны с тепловыми сопротивлениями цепи

[°С/Вт]. Наиболее значимыми тепловыми сопротивлениями являются: Rj_c тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом и корпусом прибора; Rc_s тепловое сопротивление между корпусом прибора и охладителем; Rs_a тепловое сопротивление между охладителем и окружающей средой. Соответственно 7J, Тс, Ts и Та — усредненные температуры кристалла, корпуса, охладителя и окружающей среды. Под окружающей средой понимается среда, в которой находится охладитель, а не аппарат. В частности, если аппарат конструктивно выполнен в виде металлического шкафа или блока, внутри которого расположены ключевые элементы с охладителем, то температура внутри шкафа может значительно превышать температуру внешней для аппарата окружающей среды.

Схема замещения теплопроводящей системы «полупроводниковый кристалл — корпус прибора — охладитель»

Рис. 2.14. Схема замещения теплопроводящей системы «полупроводниковый кристалл — корпус прибора — охладитель»

Согласно схеме на рис. 2.14 температуру кристалла прибора можно записать как

Из формулы (2.20) очевидны основные пути снижения усредненного значения температуры кристалла. Реально значения этой температуры будут различаться в структуре кристалла. Обычно наибольшие значения имеют области р-тз-переходов. В зависимости от соотношений тепловых сопротивлений, значениями мощности потерь в тех или иных элементах схемы замещения можно пренебречь. Однако более строгий анализ распределения температур связан с решением задачи по определению теплового поля во всех компонентах не только ключевого элемента, но и аппарата в целом.

В импульсных режимах работы потери мощности в ключах также имеют импульсный характер. При высоких значениях скважности импульсов мощности на низких частотах температура кристалла приборов тоже начинает колебаться, значительно отличаясь от среднего значения. Эти явления возникают из-за инерционности процессов теплоотдачи.

При определенных параметрах импульсов мгновенное значение температуры внутри прибора может превышать допустимые значения и привести к выходу его из строя. Для оценки температурного режима в переходных процессах при импульсном выделении мощности потерь можно использовать следующую методику приближенного анализа (см. работу [6]). Па рис. 2.15 представлены диаграммы импульсов мощности и соответствующего изменения температуры в кристалле прибора. Прямоугольная форма импульсов выбрана для упрощения решения задачи. В первом приближении изменение температуры внутри прибора может быть определено через переходное тепловое сопротивление:

где Rj_c тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом прибора в установившемся режиме; тт тепловая постоянная времени прибора.

Диаграммы импульсов мощности и изменения температуры

Рис. 2.15. Диаграммы импульсов мощности и изменения температуры

Параметры R:_c и тг определяются из нормированных переходных характеристик теплового сопротивления для конкретного типа прибора (из справочников или экспериментальными методами). Изменение мгновенного значения температуры внутри прибора можно найти как

В выражении (2.22) на п-м интервале действия импульса Рп п или его отсутствия п п = 0) сопротивление Z(t) принимается постоянным и определяется из формулы (2.21) подстановкой t = Atn, т.е. длительности рассматриваемого интервала. В результате получим зависимость изменения температуры внутри прибора

где знак «минус» соответствует интервалам с нулевым значением выделяемой мощности.

Из формулы (2.23) очевидно, что при принятых допущениях колебания температуры будут описываться линейными зависимостями изменения температуры при воздействии импульсных мощностей.

Обычно форма импульсов выделяемой мощности в полупроводниковых ключах отличается от прямоугольной. В этом случае может быть использована методика аппроксимации этих импульсов прямоугольными с тем же значением выделяемой энергии и пиковой мощности соответствующей длительности [6]. Такая замена соответствует наиболее тяжелому температурному режиму.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >