РАСЧЕТ НАГРЕВА МОЩНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

ПРИ ВОЗДУШНОМ ОХЛАЖДЕНИИ

Медведев Валерий Александрович

канд. техн. наук, доцент
Тольяттинского государственного университета

РФ, г. Тольятти

Чапурина Ангелина Сергеевна

магистрант
Тольяттинского государственного университета

РФ, г. Тольятти

E -mail: a.chapurina@list.ru

CALCULATION OF HEATING POWER SEMICONDUCTORS WITH THE AIR COOLING

Valery Medvedev

candidate of Technical Sciences,

Associate Professor of Togliatti State University

Russia, Togliatti

Angelina Chapurina

undergraduate

Togliatti State University
Russia, Togliatti

АННОТАЦИЯ

Задачей теплового расчета является определение основного параметра теплового режима температуры p-n структуры. При расчете температуры используется метод тепловых схем замещения. В известных методах возникает сложность в инженерных расчетах при определении теплового сопротивления от поверхности контакта охладителя с прибором через радиатор в окружающую среду. 

 ABSTRACT

The objective of the thermal calculation is to determine the basic parameter of the heat mode temperature p-n structure. When calculating the temperature, the method of thermal equivalent circuits is used. In the known methods, there is a difficulty in engineering calculations when determining the thermal resistance of the contact surface with the cooling device through the radiator to the environment.

A way of simplifying the heat resistance by the replacement of two series-connected is offered which leads to reduction in computation time while maintaining accuracy in the article.

Ключевые слова: охладитель; полупроводниковый прибор.

Keywords : cooler; semiconductor device.

Основным показателем, характеризующим надежность работы полупроводникового преобразователя, является температура нагрева его силовых полупроводниковых приборов, главным образом p-n структуры, как наиболее критичной к повышенным температурам.

В современных преобразователях с воздушным охлаждением часто используются силовые полупроводниковые приборы таблеточного типа, установленные на охладителе с плоскими ребрами на плоской поверхности (рисунок 1).

В установившемся тепловом режиме температурное поле полупроводникового прибора и охладителя является функцией только пространственных координат. Основная часть тепловой мощности выделяется в зоне p-n структуры, имеющей высокое электрическое сопротивление. Сопротивление других составляющих полупроводникового прибора значительно ниже, так как они выполнены из металлов с высоким значением электрической проводимости. Полупроводниковый прибор даже в установившемся режиме подвержен переменной нагрузке из-за пульсирующего тока.

Поэтому импульсный характер потерь в них аппроксимируется средним значением потерь в приборе в течении некоторого интервала времени.

Расчетные методы определения потерь будем считать известными [3, c. 35]. Задачей теплового расчета является определение основного параметра теплового режима – температуры p-n структуры.

Рисунок 1. Полупроводниковый прибор на охладителе

Рассмотрим путь по которому происходит отвод тепла от зоны p-n структуры к охлаждающей среде. Непосредственно от зоны тепловыделения тепловой поток направляется к корпусу прибора, преодолевая тепловое сопротивление составляющих частей прибора (кристалла кремния, кристаллодержателя, вольфрамового диска и др.). Основная часть теплового потока, поступившего в корпус, направляется в охладитель, преодолевая при этом тепловое сопротивление теплопроводности охладителя и теплоотдачи от него в окружающую среду.

При расчете температуры p-n структуры часто используется метод тепловых схем замещения в основе которого лежит представление полупроводникового прибора и охладителя в виде системы однородных тел, связанных между собой соответствующими процессами теплообмена. Тепловая схема замещения полупроводникового прибора на охладителе, составленная в соответствии с вышеизложенными представлениями о распределении тепловых потоков, представлена на рисунке 2.

Здесь: P – тепловые потери, выделяемы в приборе;

R _вн – внутреннее тепловое сопротивление прибора;

R _к – тепловое сопротивление контакта между поверхностью прибора и охладителем;

R _р – тепловое сопротивление от поверхности контакта охладителя с прибором через радиатор в окружающую среду;

t_{p -n} – температура нагрева p-n структуры;

t _с – температура окружающей среды.

Рисунок 2. Тепловая схема замещения полупроводникового прибора на охладителе

В соответствии с законом Ома:

                              (1)

Внутреннее тепловое сопротивление R_вн в стационарном тепловом режиме для данного прибора является величиной постоянной и, как правило, приводится в паспортных данных на прибор.

Тепловое сопротивление контакта между корпусом и поверхностью охладителя R_к определяется характером теплопередачи в контактном слое и зависит от качества обработки контактирующих поверхностей, физико-механических свойств материалов, усилия в контакте, теплопроводящих свойств контактной смазки. Тепловое сопротивление R_к обычно определяется экспериментально и его значение указываются в справочниках по охладителям. Приближенно сопротивление R_к можно рассчитать по формуле теплопередачи через плоскую стенку:

                                        (2)

где:  – зазор между корпусом прибора и охладителем;

 – поверхность контакта прибора и охладителя;

 – коэффициент теплопроводности воздуха или контактной смазки.

При передаче тепла от поверхности контакта через ребра охладителя к охлаждающей среде тепловой поток испытывает сопротивление R_р. Это тепловое сопротивление для разных типов радиаторов рассчитывается по различным формулам с применением эмпирических графиков и таблиц [1, c. 68], что значительно усложняет расчет.

Мы предлагаем, для упрощения инженерных расчетов, это тепловое сопротивление разбить на два последовательно включенных (рисунок 3),

где R_p´ – тепловое сопротивление теплопроводности радиатора;

R_p´´ – тепловое сопротивление теплоотдачи от радиатора в окружающую среду.

Рисунок 3. Преобразованная тепловая схема замещения полупроводникового прибора на охладителе

Тепловое сопротивление теплопроводности радиатора:

,                     (3)

где: h_p – высота ребра охлаждения охладителя;

δ_р – толщина ребра;

l_p – длина ребра;

n – количество ребер охлаждения;

λ_р – коэффициент теплопроводности охладителя.

Если ребра охлаждения различаются по геометрическим размерам, то:

                                 (4)

Тепловое сопротивление теплоотдачи от охладителя в окружающую среду R_pʺ рассчитывается из тепловой характеристики охладителя, взятой из справочных данных, либо рассчитанной по геометрическим размерам радиатора [2, c. 20].

                                                    (5)

где: P – тепловая мощность, выделенная в приборе;

 – превышение температуры нагрева охладителя над температурой окружающей среды при данной мощности.

Как показывает многолетний опыт, точность расчетов снижается не более чем на 10%, причем в сторону увеличения расчетной температуры p-n перехода по сравнению с реальной, а время, затрачиваемое на расчет уменьшается в несколько раз.

Список литературы:

1.  Дульнев Г.А. Теплообмен в радиоэлектронных устройствах. М.: Госэнергоиздат, 1963. – 291 с.

2.  Медведев В.А. Конструирование полупроводниковых преобразователей: Учеб. пособие. – Тольятти: ТГУ, 2005. – 299 с.

3.  Резинский С.Р., Лабковский В.И. и др. Конструирование силовых полупроводниковых преобразовательных агрегатов. – М.: Энергия, 1973. – 288 с.