3.3. Теплоотвод в силовых электронных приборах

3.3.1. Тепловые режимы работы силовых электронных ключей

При работе в ключевых режимах силовых полупроводниковых приборов: дио­дов, транзисторов, тиристоров и других, в их внутренних структурах происходит выделение активной мощности (мощности потерь в ключевом элементе). Общие потери в ключевом элементе при работе в периодическом импульсном режиме разделяются на статические и динамические. Эти потери вызывают нагрев полу­проводниковой структуры прибора. Превышение температуры нагрева сверх допустимого значения для данного прибора приводит к выходу его из строя. Поэ­тому надежная работа прибора определяется не только электрическими парамет­рами, но и температурой внутренней структуры. Обычно для охлаждения применяют металлические теплоотводящие радиаторы.

Рассмотрим тепловые режимы работы прибора, используя аналогию тепловых и электрических процессов на примере упрощенных схем замещения.

В целях упрощения решения допустим, что тепловые процессы в при­боре аналогичны электрическим процессам, протекающим в линейной цепи с сосредоточенными параметрами. Тогда в установившемся тепловом режиме, пола­гая потери мощности в приборе постоянными и равными среднему значению, можно смоделировать схему замещения, где мощность потерь Р_п соответ­ствует току, а значения температуры в различных частях прибора Т_j — потенциа­лам напряжения. В схеме моделирова­ния следует выбрать тепловые сопротив­ления как наиболее значимые:

— тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом и корпусом прибора;

— тепловое сопротивление между корпусом прибора и охладителем;

— тепловое сопротивление между охладителем и окружающей средой.

Протекание теплового потока через полупроводниковый кристалл прибора в

окружающую среду вызывает изменение температуры на тепловых сопротивле­ниях аналогично напряжению в электрической цепи при протека­нии в ней тока, т. е. на элементах прибора будет разная температура: усредненная температура кристалла — корпуса прибора , охладителя и окружаю­щей среды.

На рис. 3.11 представлены диаграммы импульсов потерь мощ­ности прямоугольной формы и изменения температуры в кристалле прибора.

В первом приближении вычисляется переходное тепловое сопротивление ,

где R_θj-c - тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом прибора в установившемся режиме; τ_T - тепловая постоянная времени прибора.

Параметры R_θj-c и τ_T определяются по нормированным переходным характе­ристикам теплового сопротивления для конкретного типа прибора. Изменение мгновенного значения температуры за время действия импульса мощности в крис­талле прибора определяется следующим образом:

.

В выражении на n-м интервале действия импульса Р_пn или его отсутствия (Р_пn = 0) сопротивление Z(t) принимается постоянным и определяется подстановкой , где , т. е. длительности рассматриваемого интервала. В результате получим зависимость изменения температуры в приборе

,

где знак «минус» соответствует интервалам с нулевым значением выделяемой мощности. Из уравнения видно, что при принятых допущениях колебания температуры будут описываться линейными зависимостями изменения температуры при воздействии импульсных мощностей.

Рис. 3.11. Диаграммы импульсов мощности и изменения температуры

На этих интервалах отсутствие мощности потерь рассматривается как действие встречно включенных потоков мощности импульсов на нечетных интервалах, где - изменение температуры в кристалле в течение времени n-го интервала; Р_{п n} - мощность импульса на n-м интервале; -значение переходного сопротивления в конце n-го интервала; n - номер интервала, на котором выделяется или отсутствует мощность потерь в кристалле прибора.