3.3.2. Охлаждение силовых электронных ключей

Отвод тепла от силовых электронных ключей осуществляется теплопередачей, конвекцией и излучением. Обычно корпус силового прибора (или часть его) и охладитель выполнены из теплопроводящего металла. Поэтому тепловой контакт между ними зависит от плотности соприкосновения, т. е. от шероховато­стей контактируемых поверхностей и прижимного усилия. Обработка специаль­ными смазками, например силиконовым вазелином, улучшает тепловой контакт контактирующих поверхностей. Проблема обеспечения низкого теплового сопро­тивления часто осложняется необходимостью одновременного создания хорошей электроизоляции между корпусом прибора и охладителем. С этой целью используются специальные материалы, характеризующиеся повышенной теплопровод­ностью и высокими электроизоляционными свойствами, например слюда, оксид алюминия, оксид бериллия и др.

Конструктивное исполнение охладителей зависит от многих факторов и, в пер­вую очередь, от способа отвода тепла.

Наиболее распространенным способом охлаждения является естественное воз­душное охлаждение — конвекция. В этом случае с поверхности охладителя тепло передается в окружающую среду воздушным потоком, который возникает под воздействием разности плотностей холодного и теплого (у поверхности охлади­теля) воздуха. Одновременно происходит теплопередача тепловым излучением. Для повышения эффективности теплопередачи охладители подвергаются «черне­нию» и имеют темную поверхность. В качестве простейших охладителей для отвода малых потерь мощности (единицы ватт) могут использоваться обычные металлические пластины, на которых монтируется прибор.

Для увеличения общей площади теплоотдачи используют охладители специ­альных конструкций, например ребристые. В качестве материалов для изготовления таких охладителей применяются алюминий и его сплавы высокой теплопроводности. Охладители в виде металлических пластин в сочетании с теплопроводящей и одновременно электроизолирующей прокладкой широко используются в конструкциях отдельных полупроводниковых элементов и силовых интегральных модулях.

Для повышения эффективности теплоотдачи охладители целесообразно конст­руктивно объединять с корпусом аппарата таким образом, чтобы конвективный обмен осуществлялся непосредственно с воздухом окружающей среды, имеющей более низкую температуру, чем воздушная среда в аппарате. Принудительное охлаждение существенно повышает эффективность охлаждения силовых электронных ключей, трансформаторов, кон­денсаторов и резисторов. В силовых электронных устройствах с большими потерями мощности в полу­проводниковых приборах, например в диодах или тиристорах, при прямых токах свыше 1000А принудительного воздушного отвода тепла может оказаться недо­статочно. В таких случаях используют жидкостное охлаждение. Этот вид охлаж­дения более эффективен по сравнению с воздушным, так как жидкости имеют большую теплоемкость и лучшую теплопроводность. В качестве жидкостей используется вода или масло.

Существуют и другие высокоэффективные системы испарительного охлажде­ния с использованием жидкостей, например фреонов, характеризующихся низкой температурой кипения и хорошими электроизоляционными свойствами.

Вопросы для самоконтроля

1. Измените схему на рис. 3.11 с учетом теплового сопротивления между корпусом прибора и окружающей средой.

2. Как изменится температура в электронном ключе, если изменить материал охлади­теля с алюминия на сталь при равных остальных условиях эксплуатации?

3. Как и почему влияет на процесс охлаждения цвет наружной поверхности охлади­теля?

4. Изобразите схему замещения для расчета температурного режима прибора по ана­логии со схемой на рис. 3.11, если охладитель и прибор будут размещены на внешней сто­роне металлического корпуса аппарата.

5. Определите среднее значение температуры в тиристорах однофазной мостовой схемы, работающей на активную нагрузку с углом управления α = π/6. Действующее зна­чение синусоидального напряжения на входе U = 220 В, сопротивление активной нагрузки R_н = 1 Ом, падение напряжения на тиристоре во включенном состоянии В, тепловые сопротивления в соответствии со схемой на рис. 3.11 имеют следующие значения: R_θj-c = 0,01°С/Вт, R_θj-s = 0,02°С/Вт, R_θj-a = 0,005 °С/Вт, температура окружающей среды для охладителя Т_а = 30 °С.

6. В каких случаях целесообразно использовать принудительное воздушное охлаждение?