3. Основы расчета теплового состояния выпрямителя

Выделяющаяся в полупроводниковом кристалле электрическая мощность P_d рассеивается в виде тепла, которое должно быть отведено от р–n-переходов. Надежность приборов непосредственно зависит от максимальной температуры полупроводниковой структуры, а способ отведения тепла определяет зависимость температуры от выделяющей мощности.

Статическое уравнение имеет вид:

(1)

где h – коэффициент теплопередачи;

А – площадь поперечного сечения канала передачи тепла;

ΔΤ – перепад температур на концах канала передачи тепла.

Тепловой канал исходит из небольшого объема полупроводникового кристалла, в котором он зарождается, проходит через несколько слоев различных материалов, из которых изготавливаются термокомпенсаторы (вольфрам, молибден), прокладки (серебро, олово), основание (медь), охладитель (алюминий, силумин), и отводится в окружающую среду. Каждый из этих слоев обладает определенной характеристикой теплопередачи и оказывает сопротивление распространению теплового потока, вследствие чего создается перепад температур полупроводниковой структурой и каждым из слоев. Тепловой расчет с учетом тепловых параметров всех разнородных слоев представляет собой довольно непростую многомерную задачу.

Для характеристики теплопередающих свойств прибора вводят понятие теплового сопротивления:

(2)

Путь теплового потока через последовательность конструктивных элементов можно представить эквивалентной цепью с последовательным соединением тепловых сопротивлений участков цепи «полупроводниковая структура – корпус прибора», «корпус прибора – контактная поверхность охладителя», «контактная поверхность охладителя – охлаждающая среда»:

где T_j, T_c, T_h, T_a – соответственно температуры структуры, корпуса, охладителя, охлаждающей среды;

- соответственно тепловые сопротивления участков цепи «полупроводниковая структура – корпус прибора», «корпус прибора – контактная поверхность охладителя», «контактная поверхность охладителя – охлаждающая среда».

Результирующее тепловое сопротивление цепи «структура прибора – охлаждающая среда»:

(6)

Для повышения нагрузочной способности при заданной максимальной температуре структуры стремятся уменьшить общее тепловое сопротивление.

Для приборов таблеточной конструкции с двусторонним отводом тепла тепловое сопротивление «структура – корпус» определяется исходя из схемы параллельного включения тепловых сопротивлений со стороны анода и катода прибора: (7)

Сопротивление «корпус – охладитель» является нестабильным и зависит от типа корпуса, площади контакта, силы сжатия корпуса с охладителем, типа теплопроводящей прослойки между корпусом и охладителем. В качестве этой прослойки может быть применен специальный силиконовый смазочный материал. Иногда это может быть электроизолирующая прокладка. В качестве теплопроводящих прокладок могут использоваться слюда, оксид алюминия, оксид бериллия. Применение теплопроводящего смазочного материала уменьшает сопротивление «корпус – охладитель» в 3–5 раз, а установка электроизолирующей прокладки увеличивает это сопротивление в 4–8 раз.

Тепловое сопротивление «охладитель – охлаждающая среда» зависит от типа охладителя и охлаждающей среды (воздушная, жидкостная). Наиболее часто используются воздушные охладители, которые иногда называют радиаторами.

Большое значение имеет состояние поверхности: ее следует выполнять матовой и черненой. Расположение поверхности должно быть вертикальным.

Метод расчета температуры нагрева полупроводниковой структуры

По известным значениям переходного теплового сопротивления «переход – среда» (справочные данные) для конкретных временных интервалов t в соответствии с выделяющейся мощностью потерь P_d можно рассчитать температуру полупроводниковой структуры в момент t:

(8)

Превышение температурой структуры температуры охлаждающей среды:

(9)