Охлаждение силовых электронных ключей

Отвод тепла осуществляется в общем случае тремя путями: теплопередачей, конвекцией и излучением. В схеме замещения на рис. 6.20. тепловые сопротивления R_j-c и R_c-s соответствуют процес­сам теплопередачи от кристалла к корпусу прибора (R_j-c) и от него к охладителю (R_c-s). Сопротивление R_j-c определяется конструкцией прибора и не может изменяться в целях повышения эффективности охлаждения.

Сопротивление R_c-s определяется тепловым контактом между корпу­сом прибора и охладителем. Обычно корпус силового прибора (или его часть), как и охладитель, выполнены из металла, являющегося хорошим проводником тепла. Поэтому тепловой контакт между ними будет в значительной мере определяться плотностью соприкосновения этих металлов. Хороший тепловой контакт, прежде всего, обеспечива­ется устранением шероховатости контактируемых поверхностей и увеличением прижимного усилия. Обработка поверхностей специальными смазками с высокой теплопроводностью, например пастой КПТ-8, значительно улучшает тепловой контакт.

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 – оксид алюминия, оксид бериллия и др.

Охладители могут иметь различное конструктивное исполнение, зависящее от многих факторов и, в первую очередь, от способа отвода от них тепла.

Наиболее распространенным способом охлаждения является есте­ственное воздушное охлаждение – конвекция. Охладители в этом случае должны обладать площадью, с поверхности которой передается тепло в окружающую среду потоком воздуха, который возникает под воздействием разности плотностей холодного и теплого (у поверхно­сти охладителя) воздуха. Одновременно здесь имеет место теплопе­редача путем теплового излучения. Для повышения эффективно­сти излучения охладители обычно подвергаются химическому «чернению».

Покраска поверхности радиатора в чёрный цвет приводит только к ухудшению теплопередачи на границе «охладитель – окружающая среда» и повышению температуры прибора.

Значения коэффициентов теплопроводности различных материалов, используемых при монтаже электронных ключей на радиаторы, приводятся в таблице. 6.1.

Табл. 6.1.

Материал
Алюминий Медь Латунь Сталь Слюда Оксид бериллия	2,08 3,8 1,10 0,46 0,006 2,10

Для увеличения общей площади теплоотдачи используются охлади­тели специальных конструкций, например, ребристые радиаторы (рис. 6.22.). В качестве материалов для изготовления охладителей используются алюминий и его сплавы, отличающиеся высокой теплопроводностью.

Рис. 6.22. Ребристая конструкция охладителя:

l – общая длина; h_s – толщина основания

Охладители в виде металлических пластин в сочетании с теплопроводящей и одновременно электроизолирующей прокладкой широ­ко используются как в конструкциях отдельных полупроводниковых элементов, так и силовых IGBT-модулях.

Для по­вышения теплоотдачи иногда бывает более рациональным применение принудительного воздушного охлаждения. Для усиления скорости конвекции применяют вентиляторы, кото­рые обеспечивают вывод нагре­тых слоев воздуха из конструкции аппарата в окружающую среду. В результате появляется возможность значительного улучшения массогабаритных показате­лей силового электронного устройства в целом.

В силовых электронных устройствах с высокими потерями мощ­ности в полупроводниковых приборах, например в диодах, тиристорах, IGBT-модулях, при прямых токах свыше 1000 А принудительное воздушное охлаждение может оказаться неэффективным. В таких случаях применяется жидкостное охлаждение. Этот вид охлаждения более эффекти­вен по сравнению с воздушным, так как жидкости имеют большую теплоёмкость и лучшую теплопроводность, чем воздух. В качестве жидкостей обычно используется вода или масло.

Наиболее эффективным способом охлаждения является использо­вание теплоты испарения жидкости. Такой способ называется испа­рительным охлаждением. На рис. 6.23. показана упрощенная конст­рукция теплового испарительного радиатора.

Рис. 6.23. Конструкция теплового испарительного радиатора:

1 – внешняя жёсткая оболочка; 2 – пористое покрытие

Внутренние стенки герметически закрытого металлического радиатора покрыты пористым материалом, который пропитан жидкостью. В трубке пониженное давление, способст­вующее испарению жидкости. От полупроводникового прибора к наружной части радиатора подводится тепло, под воздействием которого происхо­дит испарение жидкости в зоне А. Затем пар поступает в зону В, где охлаждается, что соответствует адиабатическому процессу, и поступает в зону С. Тепло, выделяемое при конденсации, отводится в окружающую среду. Сконденсировавшаяся жидкость осаждается на пористом покрытии радиатора и далее перемещается в испарительную зону А.

Описанный процесс протекает непрерывно с минимальной разни­цей температур между зонами А и С. Тепловой испарительный радиатор способен передать в пятьсот раз больше тепла, чем металлический проводник того же сечения.