Математическое моделирование температурных полей силовых биполярных транзисторов

Полупроводниковые приборы (111 111) прочно заняли свою нишу в современной электронике[1−10]. На сегодняшний день практически любое бытовое или радиотехническое устройство имеет в составе полупроводниковые устройства, начиная от стиральных машин до сотовых телефонов и компьютеров. При современных тенденциях всеобщей миниатюризации, увеличения степени интеграции и энерговыделения выходит на передний план задача обеспечения благоприятных тепловых режимов для работы полупроводниковых устройств[2−4]. К современным радиотехническим системам предъявляются высокие требования по сроку службы и надежности, по производительности и геометрическим размерам[5]. Рост производительности любой системы неизбежно связан с ростом энергопотребления и энерговыделения[4]. По сути, все эти требования противоречивы. Увеличение энерговыделения при неизменных геометрических размерах, либо уменьшение геометрических размеров при постоянной рассеиваемой мощности непременно приведут к увеличению температур и соответственно к снижению надежности [5]. В этой гонке за производительностью (численными значениями токов, напряжений, тактовых частот) было недостаточно уделено внимания вопросу теплоотвода и взаимодействию тепловых и электрических процессов, протекающих в полупроводниковых приборах. Данной работой автор попытался частично восполнить этот пробел.

Современные полупроводниковые приборы в основном являются различной комбинацией базовых элементов на основе диодов, полевых и биполярных транзисторов и пр. Транзисторы применяются в схемах генерации, усиления и преобразования сигналов[6−7].

Особое место в электронике занимают мощные биполярные транзисторы[1]. Они широко применяются в устройствах усиления сигналов, в различных схемах стабилизаторов и преобразователей напряжения как импульсных, так и линейных[8]. К транзисторам, работающим в таких схемах, предъявляются высокие требования по допустимому максимальному напряжению, току и рассеиваемой мощности[2−8]. Если максимальное напряжение и ток ограничены электрическими особенностями кристалла, то максимальная рассеиваемая мощность ограничена температурами, развивающимися в кристалле. Для увеличения выходной мощности усилителей применяют несколько параллельно соединенных 111 111, таким образом распределяя рассеиваемую мощность. Наибольшая мощность рассеивается в транзисторе, когда он работает в активном режиме. Этот режим свойственен для линейных схем усиления[2,6]. При этом транзистор может работать при достаточно высоких напряжениях и одновременно пропускать значительные токи и, следовательно, на нем может выделяться значительная мощность. Транзисторы, работающие в импульсных источниках питания, большую часть времени находятся в режиме отсечки и насыщения[9]. В этих режимах рассеиваемая мощность невелика, поскольку одновременно к 111 111 приложено либо высокое напряжение при отсутствии тока (режим отсечки), либо протекает большой ток при малом напряжении (режим насыщения). В активном режиме транзистор находится в течение короткого времени при переходе из режима отсечки в режим насыщения. Но при высоких частотах работы (сотни килогерц), потери на переключение могут стать значительными и превысить потери в открытом состоянии[9,10].

В последнее время широкое применение находят биполярные транзисторы с изолированным затвором, так называемые IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) транзисторы, которые представляют собой мощный биполярный транзистор, управляемый полевым транзистором. Современные IGBT транзисторы имеют высокие энергетические показатели с максимальными токами в десятки ампер и напряжениями в тысячи вольт.

Они применяются в схемах импульсных сетевых адаптеров для питания бытовой аппаратуры[15], в сварочных инверторах[16]. Широко используются модули IGBT представляющие собой параллельное соединение нескольких IGBT транзисторов. Они способны коммутировать ток несколько тысяч ампер, и работать при напряжениях более тысячи вольт. Такие модули применяются в силовых инверторах для обеспечения бесперебойного электропитания энергопотребителей, при преобразовании постоянного напряжения от аккумуляторов в переменное напряжение электросети, например, система бесперебойного электропитания Best S4000 мощностью 10 — 120 кВА фирмы Invensys Power Systems (IHBei^)[l 1]. IGBT модули применяются в различных преобразователях приводов электродвигателей. Например, преобразователи частоты серии АПЧ на IGBT-транзисторах предназначены для регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором мощностью от 0,3 до 110 кВт [12]. Так же IGBT модули серийно применяются в тяговых преобразователях двигателей электровозов, например, в высокоскоростных поездах Германии (DBAG) серии ICE1 [13,14]. Примером локомотивов, на которых применена технология IGBT, являются новые грузовые электровозы серии 27 000, которые Alstom строит для железных дорог Франции, и электропоезда серии АМ96 для Бельгии [14]. Типичные режимы работы модулей электровозов 3,3 кВ/1200 А, 1,7 кВ/2400 А[13,14]. При этом плотности токов в кристаллах достигают 2МА/кв.м. [10].

При проектировании столь мощных ППП невозможно избежать проблем связанных с взаимодействием тепловых и электрических процессов, протекающих в этих приборах[5,9,17,18]. В настоящее время отсутствуют математические модели, учитывающие пространственное распределение температур и его влияния на работу ППП. Без соответствующих математических моделей можно проводить оптимизацию параметров ППП только на интуитивном уровне, без доказательства того, что полученные результаты являются предельно возможными.

Целью данной работы является численное моделирование процессов теплопереноса в корпусе силового биполярного транзистора с учетом температурной зависимости интенсивности тепловыделения, коэффициента теплопроводности, теплоемкости и токов. При теоретическом анализе распределения температурного поля кристалла задачи исследования состояли в определении температур активных областей кристалла при различных электрических режимах работы и сравнении с результатами проведенных автором диссертации экспериментальных исследований.

При анализе механизма токораспределения в кристалле кремния задача состояла в теоретическом исследовании влияния значения сопротивления балластных резисторов, топологии эмиттерных областей, сопротивления металлизации на распределение плотности тока эмиттерных полос, температурное поле и основные вольтамперные характеристики биполярного транзистора.

Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач: 1. Экспериментальное исследование основных закономерностей распределения температур поверхности кристалла.

2 Математическое моделирование температурного поля в типичном корпусе биполярного транзистора с учетом важнейших факторов: пространственного характера распространения тепланестационарности процессов теплопереносаконвективного теплообмена с внешней средойналичия локально сосредоточенных источников тепловыделениязависимости токов и интенсивности тепловыделения от температуры. 3. Расчет токов, протекающих в биполярном транзисторе, на основе результатов решения задачи 2 .

4. Сравнение полученных расчетных данных с экспериментальными данными.

Научная новизна работы.

1. Экспериментально изучено температурное поле поверхности типичного кристалла в предельных режимах работы.

2. Впервые решена пространственная нелинейная нестационарная задача теплопереноса в корпусе биполярного транзистора с учетом температурной зависимости интенсивности тепловыделения и неоднородности теплофизических характеристик области решения.

3. Проведено сравнение полученных результатов по температурам в фиксированных точках с опытными данными и получено хорошее соответствие, что подтверждает достоверность результатов численного моделирования температурных полей.

4. Проведено численное моделирование различных режимов работы БТ, выделены условия и режимы возникновения тепловой нестабильности кристалла.

Практическая ценность. Полученные результаты по распределению температурного поля и распределению плотности токов эмиттерных областей могут быть использованы для совершенствования существующих математических моделей биполярных транзисторов, используемых при разработке электрических схем, а также на этапе проектирования мощных полупроводниковых устройств этого класса с целью оптимизации ряда их параметров.

Достоверность полученных результатов. Обоснованна хорошим соответствием теоретических значений температур, полученных автором при реализации его модели, и экспериментальных данных по характерным температурам силовых транзисторов.

Автор защищает:

1. Пространственную нестационарную модель типичного биполярного транзистора с учетом температурной зависимости токов и неоднородности теплофизических характеристик области решения.

2. Результаты численного моделирования пространственных температурных полей биполярного транзистора.

3. Результаты численного моделирования распределения плотности тока и вольтамперных характеристик транзисторной структуры.

4. Результаты экспериментального исследования температур на поверхности кристалла типичного биполярного транзистора КТ819Г.

Личный вклад автора. Состоит в постановке задачи, разработке метода и алгоритма её решения, проведении численного анализа исследованных процессов, обработке и обобщении результатов теоретических исследований, постановке и планировании экспериментальных исследований, проведении эксперимента, анализе и обобщении полученных результатов, формулировке выводов и заключения по диссертации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XXVII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2004) — Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии». (Томск, 2004) — 2-й Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» (Тюмень, 2006) — конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы механики (Томск, 2006)» .

Публикации. Основные результаты диссертации представлены в трудах вышеперечисленных конференций, а также в журналах «Радиотехника», «Известия вузов. Электроника», «Известия Томского политехнического университета». Всего по материалам диссертации опубликовано 8 работ, 7 в соавторстве с доктором физико-математических наук, профессором Г. В. Кузнецовым.

Содержание работы. Аналитический обзор современного состояния математического моделирования взаимосвязей тепловых и электрических процессов в структурах биполярных транзисторов проведен в первой главе.

Во второй главе сформулирована пространственная нестационарная модель типичного биполярного транзистора с учетом нелинейности теплофизических характеристик материалов и температурной зависимости токов.

В третьей главе выполнено исследование температурного поля и токов кристалла транзистора с изменением основных значимых параметров и характеристик объекта исследования в диапазонах изменения, соответствующих реальным режимам работы ППП. Проведено варьирование следующих параметров: координат расположения кристалла на медном основании корпуса, топологии эмиттерных полос, значений сопротивлений балластных резисторов, коллекторного тока и напряжения. Выполнено сравнение численных экспериментов по представленной модели с полученными экспериментальными данными.

В четвертой главе выполнено экспериментальное исследование температурного поля поверхности кристалла при различных рассеиваемых мощностях вплоть до значений, при которых возможен выход из строя исследуемых приборов.

В заключении подведены итоги проведенных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе проведено численное моделирование температурных полей мощного биполярного транзистора с учетом температурной зависимости токов и теплофизических характеристик. Решение данной задачи было обусловлено широким применением биполярных транзисторов в силовой электронике и высокими требованиями к их электрическим характеристикам и надежности.

Результаты выполненной работы и основные выводы заключаются в следующем.

1. Решена пространственная нелинейная нестационарная задача теплопереноса в типичном корпусе силового биполярного транзистора с учетом конвективного теплообмена с внешней средой и температурной зависимостью тепловыделения и теплофизических характеристик области решения.

2. Проведено экспериментальное исследование полей температур поверхности кристалла для двух видов распространенных корпусов при различных электрических режимах работы транзистора. Установлено, что при достаточно умеренных напряжениях «коллектор-эмиттер» и рассеиваемых мощностях имело место резко неоднородное распределение температур. При этом температуры эмиттерных полос не превышали предельных значений для кремния.

3. Проведено сравнение полученных результатов по температурам в отдельных областях поверхности кристалла и установлено хорошее согласование с экспериментальными данными, что подтверждает достоверность численного моделирования температурных.

4. Проведено исследование влияния сеточных параметров на погрешность расчетов. Контроль погрешности выполнялся по соблюдению баланса энергии. Выявлено, что наибольшая погрешность возникает в областях разрывов коэффициентов переноса и источников тепловыделения. Установлено, что погрешность можно снизить до приемлемых значений за счет выбора мелкого шага по времени (порядка единиц микросекунд).

5. Используя электротепловую аналогию законов электростатики и теплопереноса, проведено тестирование используемого алгоритма путем сравнения с результатами моделирования тестовой задачи в системе схемотехнического моделирования МюгоСар 7.0. Расхождение результатов не превосходило 2.5%, что также подтверждает достоверность результатов численного моделирования.

6. Установлено, что неравномерность температурного поля кристалла и распределения коллекторных токов можно значительно уменьшить соответствующим выбором значений сопротивлений балластных резисторов, размещения эмиттерных полос, а также рациональным расположением кристалла в корпусе прибора, что повышает предельные энергетические параметры и, как следствие, надежность прибора в целом.

Результаты проведенных исследований являются основанием для вывода о практической целесообразности моделирования температурных полей полупроводниковых приборов на этапе проектирования с целью оптимизации их основных параметров.