Теплоотвод в электронных ключах и их конструктивное исполнение

Тепловой расчет системы «прибор —корпус —охладитель»

При работе силовых полупроводниковых приборов в ключевых режимах в их внутренних структурах происходит выделение активной мощности. Эта мощность называется мощностью потерь в ключевом элементе. Общие потери в ключевом элементе при работе в периодическом импульсном режиме принято разделять на статические и динамические. Эти потери приводят к нагреву полупроводниковой структуры прибора. Превышение температуры нагрева сверх допустимого для данного прибора значения приводит к его выходу из строя. Поэтому надежная работа прибора определяется не только электрическими параметрами, но и температурой внутренней структуры. Для снижения этой температуры принимают меры для снижения мощности потерь, в частности динамических, а также 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 прибора, 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. 1.18), где мощность потерь Р_п соответствует току, а значения температуры различных элементов системы (Т) — электрическим потенциалам. По аналогии с законом Ома эти параметры связаны с тепловыми сопротивлениями цепи R$ [°С/Вт|. В схеме замещения выбраны следующие тепловые сопротивления как наиболее значимые:

• • Rj_c — тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом и корпусом прибора;
• • R_cs — тепловое сопротивление между корпусом прибора и охладителем;
• • R_w — тепловое сопротивление между охладителем и окружающей средой.

Соответственно усредненная температура кристалла — 7', корпуса прибора — Т_с, охладителя — T_s и окружающей среды — Т_а. Следует отметить, что иод окружающей средой понимается среда, в которой находится охладитель, а не аппарат. Например, 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.

Рис. 1.18. Схема для теплового расчета системы «кристалл — корпус — охладитель»

Согласно схеме на рис. 1.18 температуру кристалла прибора можно записать как.

Из выражения (1.4) видны основные пути снижения усредненного значения температуры кристалла. Реально значения этой температуры будут различаться в структуре кристалла. Обычно наибольшие значения имеют области ря-переходов. В зависимости от соотношений тепловых сопротивлений значениями мощности потерь в тех или иных элементах схемы замещения можно пренебречь.

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 превысить допустимые значения и привести к выходу его из строя. Для оценки температурного режима в переходных процессах при импульсном выделении мощности потерь можно использовать методику приближенного анализа [6].

Отвод тепла осуществляется в общем случае тремя путями: теплопередачей, конвекцией и излучением. В схеме замещения на рис. 1.18 тепловые сопротивления R_JC и R_cs соответствуют процессам теплопередачи от кристалла к корпусу прибора и от него к охладителю. Сопротивление R_/r определяется конструкцией прибора и не может изменяться в целях повышения эффективности охлаждения при его использовании. Сопротивление R_cs представляет собой тепловой контакт между корпусом прибора и охладителем. Обычно корпус силового прибора (или часть его), как и охладитель, выполнен из металла, являющегося хорошим теплопроводником. Поэтому тепловой контакт между ними будет в значительной мере определяться плотностью соприкосновения этих металлов. Хороший тепловой контакт, прежде всего, обеспечивается устранением шероховатости контактирующих поверхностей и увеличением прижимного усилия, приложенного к ним. Обработка специальными смазками с высокой теплопроводностью, например силиконовым вазелином, улучшает тепловой контакт контактирующих поверхностей. Проблема обеспечения низкого теплового сопротивления часто осложняется необходимостью одновременного создания хорошей электроизоляции между корпусом прибора и охладителем. С этой целью используются специальные материалы, обладающие как хорошей теплопроводностью, так и высокими электроизоляционными свойствами, например слюда, оксид алюминия, оксид бериллия и др.