2.3 Тепловые параметры силовых полупроводниковых приборов

Многообразие областей применения силовых полупроводниковых приборов обусловливает необходимость иметь самую полную информацию, характеризующую их возможности. По этой же причине целесообразным является использование для полупроводниковых приборов системы предельных параметров (в отличие от системы номинальных параметров, принятых для электротехнических устройств).

Система предельных параметров характеризует предельные возможности приборов вне зависимости от режимов их работы. Это позволяет разработчику полупроводниковых устройств самому выбирать оптимальные условия работы приборов с учетом требований к технико-экономическим показателям и уровню надежности проектируемого аппарата. В результате коэффициент использования важнейших параметров может быть существенно повышен, что имеет особое значение при необходимости в групповом включении большого числа тиристоров или диодов. Предельные (граничные) параметры приборов, так же как я предельные эксплуатационные условия их работы, ни при каких режимах не должны быть превышены (или занижены).

В интервале предельно допустимых режимов работы свойства полупроводниковых приборов определяются так называемыми характеризующими параметрами. Последние дополняют информацию о характеристиках приборов, раскрывают их взаимосвязь при различных условиях работы; они могут быть измерены непосредственно или косвенно по известной зависимости от других параметров.

В последующем изложении ограничимся рассмотрением только основных параметров и характеристик полупроводниковых приборов, имеющих важное значение при разработке схем полупроводниковых электрических аппаратов.

Температура полупроводниковой структуры является основным критерием работоспособности приборов и стабильности их характеристик в течение всего срока службы. Нижний предел рабочего диапазона температур обусловлен необходимостью ограничения механических напряжений, возникающих из-за различий в коэффициентах линейного расширения отдельных элементов конструкции.

Минимально допустимая температура для силовых диодов и тиристоров отечественного производства составляет минус 40…50 °С. Максимальная рабочая темпера тура плюс 125…190°С обусловливается допустимым уровнем снижения выдерживаемого структурой напряжения (без переключения в прямом направлении для тиристоров), а также циклоустойчивостью приборов в повторно-кратковременных режимах нагрузки их током.

Следует иметь в виду, что экспериментальные и расчетные методы определения температуры не позволяют учесть неравномерность разогрева структуры из-за различной плотности тока. Поэтому вводится понятие об эквивалентной температуре полу проводниковой структуры. Этот термин определяет усредненное по площади структуры и во времени значение температуры, измеренной по одному из зависящих от температуры параметров при определении нагрузочной способности полупроводниковых приборов в любых режимах работы.

При установившемся тепловом состоянии взаимосвязь между эквивалентной температурой структуры Тj выделяющейся в ней мощностью и тепловыми характеристиками конструкция прибора выражается зависимостью

(2.4)

где −температура корпуса, измеренная в указанной изготовителем точке;

P_Σ −суммарные потери мощности;

R_B − внутреннее установившееся тепловое сопротивление.

Внутреннее установившееся тепловое сопротивление характеризует свойство конструктивных элементов прибора оказывать сопротивление отводу теплоты, выделившейся в РN-структуре. В соответствии с выражением (2.4), оно определяется как отношение превышения температуры полупроводниковой структуры над температурой корпуса к рассеиваемой в ней мощности, т.е.:

(2.5)

На практике для улучшения теплоотвода приборы монтируются на специальных охладителях (радиаторах), которые, в свою очередь, подвергаются интенсивному охлаждению. В этом случае тепловое состояние системы в целом характеризуется общим установившимся тепловым сопротивлением

где R_B − внутреннее установившееся тепловое сопротивление см. выражение (2.5); R_c-o − тепловое сопротивление контакта между прибором и охладителем; R_о-а − тепловое сопротивление между охладителем и окружающей средой.

При кратковременных или повторно-кратковременных режимах нагрузки приборов током тепловое сопротивление является функцией длительности воздействия импульса мощности электрических потерь. В этом случае тепловое состояние системы «прибор − охладитель» характеризуется переходным тепловым сопротивлением Z_T, которое определяется отношением мгновенных значений превышения температуры структуры над температурой окружающей среды Ta к выделяемой в импульсе мощности:

(2.6)

Внутреннее переходное тепловое сопротивление соответственно определяется выражением

Экспериментально полученные зависимости переходных тепловых сопротивлений Z_T от длительности воздействия импульса мощности при определенных способах охлаждения приводятся в справочных материалах для каждого типа приборов в виде кривых, как это показано на рисунке 2.8.

Они могут быть использованы для расчета нагрузочной способности приборов в любом режиме работы.

Рисунок 2.8 − Переходное тепловое сопротивление

тиристора Т143-300 при различных скоростях обдува воздухом

1-υ =0; 2-υ =6 м/с; 3-υ =12 м/с