1.5.2.Температурные и тепловые параметры
К тепловым параметрам вентилей относятся: температура T и тепловое сопротивление Rth.
Электрические параметры вентилей, как правило, зависят от температуры перехода Tj, которая имеет два предельных значения: максимально допустимое Tjm и минимально допустимое Tjmin.
Если температура превышает определенное значение, то снижается класс прибора, возрастают токи утечки и времена выключения, уменьшается значение критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, снижается помехоустойчивость и др.. При температурах ниже определенной величины так же происходит ухудшение ряда параметров вентилей и даже возможно разрушение полупроводниковой структуры. Это связано с тем, что входящие в конструкцию вентилей материалы, имеют различные коэффициенты линейного расширения и при низких температурах могут возникать значительные изгибающие моменты, разрушающие кремний.
Максимально допустимая температурах перехода Tjm — это температура, превышение которой в длительных режимах эксплуатации вентилей не допускается.
Для отечественных силовых диодов максимально допустимая температура перехода принята равной 190 °С при повторяющихся импульсных, обратных напряжениях до 1600В, 175 °С при повторяющихся напряжениях до 2800 В и 150 оС при повторяющихся напряжениях до 4000 В. Для быстро восстанавливающихся и лавинных диодов эта температура несколько ниже и не превышает 140—160 °С.
Для тиристоров максимально допустимая температура равна, как правило, 125° С (редко 140 °С). Более низкие значения максимально допустимых температур для тиристоров связаны с резким уменьшением напряжения переключения и критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии и с увеличением времени выключения в результате дальнейшего роста температуры перехода.
Минимально допустимая температура перехода Tjmin- это температура, ниже которой не допускается не только работа, но даже хранение диода.
Значения минимально допустимой температуры перехода отечественных диодов и тиристоров лежат в интервале - 50 - 60 °С.
Кроме рассмотренных температурных параметров различают : температуру корпуса вентиля - Tc ; температуру поверхности охладителя - Th ; температуру охлаждающей среды - Ta.
При прохождении тока через вентиль в его полупроводниковой структуре рассеивается электрическая энергия, которая преобразуется в тепло и определяет тепловой режим прибора. Между полупроводниковой структурой и окружающей средой возникает тепловой поток и развиваются процессы теплообмена, направленные на установление теплового равновесия.
При анализе тепловых процессов используется принцип электоротепловой аналогии, основанный на подобии процессов переноса тепла (тепловой энергии) и переноса электрического заряда [2].
Теплота Электричество
Тепловой поток Q, Вт Ток I, А
Плотность тока Q/S, Вт/м2 Плотность тока I/S, А/м2
Температура T, оС Потенциал , В
Тепловое сопротивление R, оС/Вт Сопротивление R, В/А
Тепловой поток на пути от полупроводниковой структуры к окружающей среде проходит через ряд слоев различных материалов, из которых изготавливаются термокомпенсаторы (вольфрам, молибден), прокладки (серебро, олово), основание и охладитель. Каждый из этих слоев оказывает сопротивление распространению теплового потока, вследствие чего создается перепад температур между структурой и каждым из слоев.
Пользуясь принципом электротепловой аналогии можно дать формальное определение тепловому сопротивлению.
Тепловое сопротивление между двумя точками m и n на пути распространения теплового потока - это отношение разности температур между этими точками к мощности потерь, обуславливающих тепловыделение:
.
Применительно к вентилям выражение для теплового сопротивления имеет вид:
,
где Rthja - установившееся тепловое сопротивление между полупроводниковой структурой и охлаждающей средой; Tj - температура структуры; Ta - температура охлаждающей среды.
Из приведенной формулы видно, что чем меньше Rthja, тем большую мощность потерь можно допустить в приборе при заданных значениях Tj и Та и тем, следовательно, болью токовую нагрузку может выдержать вентиль. Таким образом, конструкция вентиля с охладителем должна обеспечить минимально возможное значение теплового сопротивления.
Рассматривая путь теплового потока через отдельные в конструктивном отношении элементы системы вентиль - охладитель, можно говорить о тепловых сопротивлениях участков:
полупроводниковая структура - корпус прибора Rthjc;
корпус прибора - контактная поверхность охладителя Rthch;
контактная поверхность охладителя - охлаждающая среда Rthha.
На основе электротепловой аналогии тепловую модель системы структура - окружающая среда можно представить в виде электрической схемы замещения, представляющей собой последовательное соединение сопротивлений соответствующих слоев ( рис.1.14 ).
Tj Tc Th Ta Tj Ta
Рис. 1.14. Тепловая модель вентилей штыревой конструкции
При одностороннем охлаждении вентилей, характерном для приборов штыревой конструкции, общее установившееся тепловое сопротивление вентиля с охладителем складывается из внутреннего установившегося теплового сопротивления структура - корпус прибора Rthjc(сопротивление участка полупроводниковая пластина - контактная поверхность корпуса прибора), теплового сопротивления контакта между прибором и охладителем Rthch и теплового сопротивления охладителя Rthha, учитывающего как сопротивление самого охладителя, так и сопротивление при переходе теплового потока от поверхности охладителя в охлаждающую среду
Для вентилей штыревой конструкции тепловые сопротивления определяются как:
;
;
;
,
где Tj - температура структуры; Tc - температура корпуса прибора; Th - температура поверхности охладителя; Ta - температура охлаждающей среды.
Тепловое сопротивление участка полупроводниковая структура - корпус определяется в основном площадью полупроводниковой структуры, качеством контактных соединений и конструкцией корпуса.
Тепловое сопротивление контакта между вентилем и охладителем зависит от площади контакта, силы сжатия поверхностей, качества обработки поверхностей, наличия на ней различных пленок. В процессе эксплуатации поверхности контактов вентиля и охладителя могут подвергаться коррозии за счет воздействия влаги и от протекания силового тока, что резко увеличивает тепловое сопротивление Rthch. Особенно подвержен коррозии и разрушению от протекания тока алюминий, из которого обычно выполняются охладители. Для предотвращения этого явления используются специальные смазки и, кроме того, между алюминиевым охладителем и вентилем прокладывают медную пластину с выводом для подключения к внешней цепи, исключая тем самым протекание силового тока через поверхность контакта меди и алюминия.
Тепловое сопротивление участка охладитель - охлаждающая среда Rthha зависит от размеров и площади теплоотдаюшей поверхности охладителя, от вида охлаждающего агента, скорости и характера его движения у теплоотдаюшей поверхности, наличия или отсутствия изменения агрегатного состояния охлаждающего агента, т.е. способа охлаждения.
На рис.1.15 приведена тепловая модель вентилей таблеточной конструкции.
Tj RthjcК TcК RthchК ThК RthhaК Ta Tj RthjaК Ta
Рис. 1.15. Тепловая модель вентиля таблеточной конструкции
В приборах таблеточной конструкции в отличие от штыревых тепловой поток распространяется в две стороны - в сторону анода и в сторону катода, встречая на своем пути различные сопротивления анодных и катодных слоев. По аналогии с параллельным соединением сопротивлений в электрических схемах суммарное тепловое сопротивление прибора, определяется как параллельное соединение сопротивлений анодной и катодной ветвей:
;
;
.
Поскольку в вентилях таблеточной конструкции тепло отводится в двух направлениях, то при одинаковых площадях структур их суммарное тепловое сопротивление существенно меньше, чем у вентилей штыревого исполнения, с плоским основанием и под запрессовку, а следовательно нагрузочная способность таблеточных вентилей выше.
Из приведенных выше уравнений видно, что добиться уменьшения общего установившегося теплового сопротивления системы вентиль-охладитель для заданного типа вентиля и способа сочленения его с охладителем можно за счет уменьшения Rthha, т.е. создания более эффективной системы охлаждения.
Приведенные выражения относятся к установившемуся тепловому режиму. Наряду с установившимся тепловым сопротивлением для тепловых расчетов нестационарных режимов используют понятие общего переходного теплового сопротивления, которое определяется как отношение повышения температуры полупроводниковой структуры за время действия импульса мощности потерь Tj(t) над температурой окружающей среды Ta к уровню мощности потерь
Переходное сопротивление Z(th)tja определяет характер изменения температуры полупроводниковой структуры в переходном процессе, изображенном на рис.1.16.
Общее переходное тепловое сопротивление СПП и охладителя может быть представлено в виде суммы :
Z(th)tia = Z(th)tic + Rthch + Z(th)tha,
Рис.1.16. К определению
переходного теплового сопротивления
где Z(th)tic , Z(th)tha - переходные тепловые сопротивления вентиля и охладителя.
Ввиду малой инерции теплового сопротивления контактной поверхности в формулу входит его установившееся значение Rthch. Кривые изменения переходного теплового сопротивления от времени для конкретных типов вентилей и различных условий охлаждения приводятся в [8,9]. Для примера на рис.1.17 показаны зависимости переходных тепловых сопротивлений Z(th)tjc и Z(th)tja для тиристора Т9-250 с типовым охладителем ОА - 020 при различных скоростях охлаждающего воздуха.
Переходное тепловое сопротивление охладителя Z(th)tha приводится в справочных данных на охладители для каждого конкретного типа. При использовании Z(th)tha в качестве составляющей Z(th)tja необходимо для расчетных значений времени t > 1с суммировать его с контактным тепловым
Рис.1.17.
Переходные тепловые сопротивления
структура - корпус Z(th)tjc
(5) и структура
- среда
Z(th)tja
при скоростях
охлаждающего воздуха 0 м/с (1), 3 м/с (2), 6
м/с (3) и 12 м/с (4).
сопротивлением Rthch, поскольку при достижении тепловым потоком поверхности охлаждающего устройства в эквивалентную тепловую схему включается тепловое сопротивление контакта между корпусом прибора и контактной поверхностью охладителя. В установившемся тепловом режиме Z(th)tja = Rthja. Имея значения Z(th)tja для конкретных временных интервалов t, можно при известном значении греющей мощности PAV рассчитать температуру перехода в момент времени t
Tjt = Ta +PAV Z(th)tja ,
например в момент времени t1 на рис. 1.16.