Проблема отвода тепла. Тепловое сопротивление. Способы уменьшения теплового сопротивления

March 8, 2015 by admin Комментировать »

Силовые полупроводниковые приборы и силовые интегральные микросхемы (ИМС) рассеивают сравнительно большую мощность. Поэтому одной из важнейших задач разработчика силового прибора является поиск и реализация соответствующего технического решения, обеспечивающего эффективный отвод избыточной тепловой энергии от активной структуры полупроводникового кристалла. Все современные мощные силовые полупроводниковые устройства выпускаются в корпусах, обеспечивающих эффективный тепловой контакт между их металлической поверхностью и специально для этих целей предназначенным внешним радиатором. Во многих случаях эта металлическая поверхность силового устройства электрически связана с одним из выводов устройства (например, у мощного п-р-п-транзистора она связана с его коллектором, у ИМС стабилизатора напряжения — с отрицательным выводом источника питания).

С целью обеспечения надежной работы силовых полупроводниковых приборов и силовых ИМС в радиоэлектронной аппаратуре в нормативно-технической документации на эти изделия обычно установлены ограничения на предельно-допустимые температуры кристалла. Для кремниевых силовых приборов это плюс 150 °С.

Обычно такие теплоотводы (радиаторы) используются с приборами, которые специально приспособлены для работы с радиаторами. Качество теплоотвода обычно характеризуется величиной теплового сопротивления (Лр °С/Вт ). Численное значение теплового сопротивления определяется по формуле:

где Г р – температура кристалла; Т — температура среды.

Полное тепловое сопротивление полупроводникового прибора или силовой ИМС определяется по следующей формуле:

I

Для силового полупроводникового прибора с радиатором это выражение приобретает вид:

)

где ЛГкр.ср — тепловое сопротивление кристалл — внешняя среда; /tj. — тепловое сопротивление кристалл — корпус; рад — тепловое сопротивление корпус — радиатор; Л,, р — тепловое сопротивление радиатор — внешняя среда; /tj. — тепловое сопротивление корпус — внешняя среда.

—                      Тепловое сопротивление силового прибора зависит от ряда факторов, основными из которых являются размер кристалла;

—                      способ посадки кристалла в корпус;

—                      материал кристаллодержателя корпуса;

—                      способ монтажа корпуса на плате;

—                      скорость воздушного потока в радиоэлектронном устройстве.

Для каждого из элементов корпуса, участвующего в теплообмене, тепловое сопротивление может быть оценено исходя из следующего соотношения [113]:

I

где Я – удельная теплопроводность материала; [Вт/(м · К)]; / и S — длина и площадь поперечного сечения материала, через который протекает тепловой поток.

Любой силовой прибор в конкретных условиях эксплуатации работает в системе «прибор – окружающая среда». Тепловой баланс в этой системе «прибор – окружающая среда» устанавливается через некоторое время после подачи питающего напряжения. Непосредственно в момент подачи напряжения температура p-η перехода обычно равна температуре окружающей среды. С течением времени температура перехода постепенно повышается до некоторого установившегося значения (рис. 6.1). При этом тепловая инерционность силового прибора обычно характеризуется параметром, который называют тепловой постоянной времени нагревания ττ. Переходный процесс изменения температуры p-η перехода описывается экспонентой:

I

где— тепловая постоянная прибора;— теплоемкость слоя; С0

удельная теплоемкость [Дж/(кг· К)]; σ— плотность материала [кг/м3]; V — объем слоя [м3].

Рис. 6.1. Типовая зависимость температуры перегрева силового прибора от времени при подаче и отключении электрического режима

Для различных участков силового прибора время установления постоянной температуры различно и зависит от конкретных конструктивных особенностей структуры прибора и теплоемкости используемого материала. Так, например:

Тепловые и электрические воздействия на силовые полупроводниковые приборы и силовые ИМС являются основными факторами, определяющими надежность создаваемых на их основе приборов. Для обеспечения высокой надежности таких приборов необходимо тщательно выбирать режимы, исключающие перегрузку отдельных областей структуры силовых приборов. Существенное значение в обеспечении надежности приборов также играют специальные меры их принудительного охлаждения и применение различных конструкций теплоотводов. Посредством применения теплоотводов с естественным и принудительным охлаждением можно при прочих равных условиях существенно снизить температуру кристалла и тем самым повысить надежность его работы.

Основными способами уменьшения величины теплового сопротивления силовых полупроводниковых приборов являются:

—                      применение радиатора;

—                      применение принудительного охлаждения (воздушного — радиаторами, жидкостного);

—                      применение методов дополнительного теплоотвода непосредственно через кристаллодержатель или через выводы силового прибора.

Источник: Белоус А.И., Ефименко С.А., Турцевич А.С., Полупроводниковая силовая электроника, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. цв. вкл.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты