Повна версія

Головна arrow Техніка arrow ЕЛЕКТРОННІ АПАРАТИ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ТЕПЛОВІДВЕДЕННЯ В СИЛОВИХ ЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДАХ

Теплові режими роботи силових електронних ключів

При роботі силових напівпровідникових приладів - діодів, транзисторів, тиристорів та ін. - в ключових режимах в їх внутрішніх структурах відбувається виділення активної потужності, яка називається потужністю втрат.Загальні втрати в ключовому елементі при роботі в періодичному імпульсному режимі прийнято розділяти на статичні і динамічні (див. Параграф 1.3). Ці втрати призводять до нагрівання напівпровідникової структури приладу. Перевищення температури нагрівання понад допустимого значення для даного приладу призводить до виходу його з ладу. Тому надійна робота приладу визначається не тільки електричними параметрами, але і температурою внутрішньої структури. Для зниження цієї температури як вживають заходів для зниження потужності втрат, зокрема динамічних, так і використовують різні способи відведення тепла від приладу, тобто його охолодження. Зазвичай для цієї мети використовують металеві тепловідвідні радіатори різної форми.

Розглянемо теплові режими роботи приладів , використовуючи аналогію теплових і електричних процесів на прикладі спрощених схем заміщення.

У загальному випадку аналіз теплових процесів є складною польовий нелінійної завданням, рішення якої вимагає використання спеціальних аналітичних і обчислювальних методів. З метою спрощення будемо вважати , що теплові процеси в приладі аналогічні електричним процесам , що протікають в лінійної ланцюга з зосередженими параметрами. Тоді в сталому тепловому режимі, вважаючи втрати потужності в приладі постійними і рівними середнім значенням, можна скласти схему заміщення (рис. 2.14), де потужність втрат Р і відповідає току, а значення температури в різних частинах приладу 7} - потенціалом напруги. Ці параметри пов'язані з тепловими опорами ланцюга

[° С / Вт]. Найбільш значущими тепловими опорами є: Rj_ c - тепловий опір між напівпровідниковим кристалом і корпусом приладу; R c _ s - тепловий опір між корпусом приладу і охолоджувачем; R s _ a - тепловий опір між охолоджувачем і навколишнім середовищем. Відповідно 7J, Т з , T s і Т а - усереднені температури кристала, корпуса, охолоджувача і навколишнього середовища. Під навколишнім середовищем розуміється середовище, в якому знаходиться охолоджувач, а не апарат. Зокрема, якщо апарат конструктивно виконаний у вигляді металевої шафи або блоку, всередині якого розташовані ключові елементи з охолоджувачем, то температура всередині шафи може значно перевищувати температуру зовнішнього для апарату навколишнього середовища.

Схема заміщення теплопроводящей системи «напівпровідниковий кристал - корпус приладу - охолоджувач»

Мал. 2.14. Схема заміщення теплопроводящей системи «напівпровідниковий кристал - корпус приладу - охолоджувач»

Згідно зі схемою на рис. 2.14 температуру кристала приладу можна записати як

З формули (2.20) очевидні основні шляхи зниження усередненого значення температури кристала. Фактична цієї температури будуть відрізнятися в структурі кристала. Зазвичай найбільші значення мають області р-тз-переходів. Залежно від співвідношень теплових опорів, значеннями потужності втрат в тих чи інших елементах схеми заміщення можна знехтувати. Однак більш строгий аналіз розподілу температур пов'язаний з вирішенням задачі по визначенню теплового поля у всіх компонентах не тільки ключового елемента, а й апарату в цілому.

В імпульсних режимах роботи втрати потужності в ключах також мають імпульсний характер. При високих значеннях шпаруватості імпульсів потужності на низьких частотах температура кристала приладів теж починає коливатися, значно відрізняючись від середнього значення. Ці явища виникають через інерційності процесів тепловіддачі.

При певних параметрах імпульсів миттєве значення температури усередині приладу може перевищувати допустимі значення і привести до виходу його з ладу. Для оцінки температурного режиму в перехідних процесах при імпульсному виділення потужності втрат можна використовувати наступну методику наближеного аналізу (див. Роботу [6]). Па рис. 2.15 представлені діаграми імпульсів потужності і відповідної зміни температури в кристалі приладу. Прямокутна форма імпульсів обрана для спрощення рішення задачі. У першому наближенні зміна температури всередині приладу може бути визначено через перехідний тепловий опір:

де Rj_ c - тепловий опір між кристалом і корпусом приладу в сталому режимі; т т - теплова постійна часу приладу.

Діаграми імпульсів потужності і зміни температури

Мал. 2.15. Діаграми імпульсів потужності і зміни температури

Параметри R: _ c і т г визначаються з нормованих перехідних характеристик теплового опору для конкретного типу приладу (з довідників або експериментальними методами). Зміна миттєвого значення температури усередині приладу можна знайти як

У вираженні (2.22) на п -му інтервалі дії імпульсу Р п п або його відсутності п п = 0) опір Z (t) приймається постійним і визначається з формули (2.21) підстановкою t = At n , тобто тривалості розглянутого інтервалу. В результаті отримаємо залежність зміни температури всередині приладу

де знак «мінус» відповідає інтервалах з нульовим значенням виділяється потужності.

З формули (2.23) очевидно, що при прийнятих припущеннях коливання температури будуть описуватися лінійними залежностями зміни температури при впливі імпульсних потужностей.

Зазвичай форма імпульсів виділяється потужності в напівпровідникових ключах відрізняється від прямокутної. У цьому випадку може бути використана методика апроксимації цих імпульсів прямокутними з тим же значенням енергії, що виділяється і пікової потужності відповідної тривалості [6]. Така заміна відповідає найбільш важкого температурному режиму.

 
<<   ЗМІСТ   >>