КЛЮЧЕВЫЕ СПОСОБЫ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ ТРАНЗИСТОРОВ В ЭЛЕКТРОНИКЕ

MAIN METHODS OF TRANSISTOR THERMAL CONTROL IN ELECTRONICS

Shipunov MaximAlekseevich

Master’s student, Department of Electronics, Radio Engineering and Communication Systems, Orel State University named after I.S. Turgenev,

Russia, Orel

Lobanova Valentina Andreevna

Scientific supervisor, candidate of Sciences in Engineering, associate professor, Orel State University named after I.S. Turgenev,

Russia, Orel

АННОТАЦИЯ

В работе представлены основные способы терморегуляции транзисторов в радио – электронной аппаратуре.Приведены проверенные тепловые модели, формулы расчёта температуры перехода, а также графические зависимости, иллюстрирующие влияние теплового сопротивления на рабочую температуру полупроводниковых приборов.Рассматривается важность контроля тепловых режимов в условиях постоянного роста плотности мощности полупроводниковых приборов. В работе систематизированы основные тепловые параметры, используемые для описания теплопередачи в транзисторах.

ABSTRACT

This paper presents the main methods for thermal management of transistors in electronic equipment. It provides proven thermal models, formulas for calculating junction temperature, and graphical dependencies illustrating the effect of thermal resistance on the operating temperature of semiconductor devices. The importance of thermal control in the context of the constantly increasing power density of semiconductor devices is discussed. The paper systematizes the main thermal parameters used to describe heat transfer in transistors.

Ключевые слова: температура, терморегуляция, транзистор, тепловое сопротивление, рассеиваемая мощность.

Keywords: temperature, thermal regulation, transistor, thermal resistance, dissipated power.

Современная электронная аппаратура характеризуется неуклонным ростом быстродействия, миниатюризацией компонентов и увеличением плотности компоновки. Эти тенденции напрямую связаны с возрастанием плотности рассеиваемой мощности в полупроводниковых приборах, прежде всего в транзисторах, являющихся ключевыми элементами усилительных, ключевых и преобразовательных устройств. Тепловая энергия, выделяющаяся в процессе их работы, становится одним из основных лимитирующих факторов, определяющих не только производительность, но и надёжность всей системы.Превышение допустимой температуры p-n-перехода ведёт к целому ряду негативных последствий: деградации электрических параметров (например, увеличение тока утечки, снижение коэффициента усиления), ускорению процессов старения материалов, тепловой генерации дефектов и, в конечном итоге, к катастрофическому отказу компонента. В условиях высоких требований к безотказности, особенно в ответственных областях, таких как силовая электроника, телекоммуникационное оборудование, автомобильная и аэрокосмическая промышленность, вопрос управления тепловыми режимами выходит на первый план проектирования.

Таким образом, эффективная терморегуляция транзисторов перестаёт быть вспомогательной задачей и становится неотъемлемой, критически важной частью инженерного цикла разработки электронных устройств. Она требует системного подхода, основанного на глубоком понимании тепловых процессов, точном математическом моделировании, выборе оптимальных методов отвода тепла и их грамотной реализации на уровне компонента, печатной платы и системы в целом.

Основная часть

Для описания тепловых процессов в транзисторах используются параметры теплового сопротивления: θ_JA (переход–окружающая среда), θ_JC (переход–корпус), θ_JB (переход–плата). Эти параметры указываются в технической документации и определяются экспериментально.Основная формула расчёта температуры перехода[1]:

                                                   [1]

где T_J — температура p–n‑перехода, °C; T_A — температура окружающей среды, °C; P_diss — рассеиваемая мощность, Вт; θ_JA — тепловое сопротивление «переход–окружающая среда», °C/Вт.

На графике 1 показана зависимость температуры перехода от рассеиваемой мощности для различных значений θ_JA. График демонстрирует, что даже небольшое снижение теплового сопротивления существенно уменьшает рабочую температуру транзистора.

При использовании радиатора и теплового интерфейса применяется расширенная модель [2]:

                          [2]

где θ_CS — тепловое сопротивление контактного слоя (TIM), θ_SA — тепловое сопротивление радиатора относительно окружающей среды.

Рисунок 1. Зависимостьтемпературы перехода T_J от рассеиваемой мощности P

Для обеспечения надёжной работы транзисторов в условиях роста мощности и миниатюризации электронных компонентов применяются различные методы терморегуляции, которые условно делятся на пассивные и активные. Пассивные методы не требуют внешних источников энергии и работают за счёт естественной теплопередачи, отличаясь высокой надёжностью, отсутствием шума и низкими эксплуатационными затратами. К ним относятся радиаторы, увеличивающие площадь теплообмена с воздухом, теплопроводящие интерфейсные материалы (термопасты, прокладки), устраняющие воздушные зазоры между кристаллом и радиатором, а также оптимизация конструкции печатной платы – использование тепловых переходных отверстий, расширенных медных полигонов и выделенных теплоотводящих слоёв. Важную роль играет и выбор корпуса транзистора: современные исполнения (например, с открытой тепловой площадкой) обеспечивают более эффективный отвод тепла непосредственно на плату [1].

Активные методы используют внешнюю энергию для принудительного охлаждения и способны отводить значительно большие тепловые потоки. К ним относятся принудительное воздушное охлаждение с помощью вентиляторов, которое резко повышает эффективность радиаторов за счёт увеличения скорости воздушного потока; жидкостное охлаждение, где тепло отводится циркулирующей жидкостью через ватерблоки, что позволяет рассеивать высокие мощности при компактных размерах и умеренном шуме; термоэлектрическое охлаждение на основе эффекта Пельтье, способное снижать температуру ниже окружающей, но отличающееся низким КПД и высоким энергопотреблением; а также системы с фазовым переходом, такие как тепловые трубки, использующие скрытую теплоту парообразования для крайне эффективной пассивной передачи тепла [3].

На практике часто применяются гибридные решения, комбинирующие несколько методов, например: транзистор – термопаста – радиатор – куллер. Данная система актуальна только для транзисторов без металлической подложки. Ключи, имеющие металлическую подложку обязаны быть изолированы от корпуса радиатора, во избежание короткого замыкания.

Для устройств мощностью >500 Вт., будет достаточно применения силиконовых подложек, они обеспечивают достаточный теплообмен, нивелируя микро-неровности корпуса транзистора [4]. Но если проектируемое устройство рассчитывается на мощность более 500 Вт. Отличным решением будет является применение прокладок из силиконовой пены, представленной на рисунке 2.

Рисунок 2. Внешний вид термопрокладок из силиконовой пены

Сравним обычные изолирующие силиконовые прокладки с термопрокладками из силиконовой пены на макете инвертора рассчитанного на 1 КВт.без активного охлаждения. Силовые ключи на макете выполнены в корпусе TO-3PBLс металлической подложкой, во избежание брака при монтаже, а именно контакта зажимного винта и подложки транзистора, применим резиновое кольцо представленное на рисунке 3.

Рисунок 3. Изображение изоляции зажимной винт – металлическая подложка

На рисунке 4 показана температура ключей с применением обычной силиконовой подложки, при времени работы 1 час.

Рисунок 4. Температура транзисторов с применением силиконовой подложки, при времени эксплуатации 1 час

На рисунке 5 показана температура ключей с применением термопрокладок из силиконовой пены, при времени работы 1 час.

Проанализировав приведенные замеры можно сделать вывод, что применение термопрокладок из силиконовой пены позволяет добиться большей эффективности температуры передачи при сравнительно одинаковой цене и тяжести монтажа, а так же нивелировать нежелательные факторы, встречающиеся при монтаже, такие как: неравность закрепление транзистора, недостачный зажим силового ключа [5].

Рисунок 5. Температура транзисторов с применением термопрокладок из силиконовой пены, при времени эксплуатации 1 час

Проведённый анализ подтверждает, что эффективная терморегуляция транзисторов является критически важным аспектом проектирования современных электронных устройств, особенно в условиях роста мощности и миниатюризации компонентов. В работе были рассмотрены теоретические основы теплового расчёта, включая ключевые параметры теплового сопротивления и базовые формулы для оценки температуры перехода, а также систематизированы методы пассивного и активного охлаждения.

Особое внимание уделено практическим аспектам изоляции транзисторов с металлической подложкой в устройствах высокой мощности. Экспериментальное сравнение традиционных силиконовых прокладок и термопрокладок из силиконовой пены на примере инвертора мощностью 1 кВт наглядно продемонстрировало преимущества последних: более эффективный теплоотвод, компенсация микронеровностей поверхностей и снижение влияния ошибок монтажа, таких как неравномерное прижатие или недостаточное усилие зажима.

Таким образом, успешное проектирование теплового режима транзисторов требует комплексного подхода, сочетающего:

1. точный расчёт на основе тепловых моделей,
2. корректный выбор методов охлаждения (пассивных, активных или гибридных),
3. применение современных материалов для теплоотвода и изоляции,
4. учёт конструктивных особенностей компонентов и условий эксплуатации.

Список литературы:

1. Говард, Джонсон   Конструирование высокоскоростных цифровых устройств. Начальный курс черной магии / Джонсон Г., Грэхем М. – Санкт – Петербург: PNTRS, 2020.
2. Рюмик, С. М. Заземление и экранирование в многомодульных системах/ С. М. Рюмик, П. Д. Антонов– М.: Техносфера, 2022.
3. Поздняков, В.Г. Механизмы генерации электромагнитных помех в печатном монтаже/ В.Г. Поздняков, К.С. Поливанов– М.: Электросвязь, 2020.
4. Яковлев, А.В. Резонансные явления в многослойных печатных платах/ А.В. Яковлев– М.: Техносфера, 2019.
5. Лобанова, В.А. Информационные технологии проектировании электронных средств/ О.А Воронина., В.А. Лобанова - Орел: Изд-во ОрелГТУ, 2020.- https://oreluniver.ru/public/file/employee/1175/680.pdf
6. Ли, Г.Т. Основы научных исследований (учебно-методический комплекс) [Электронный ресурс]: монография / Г.Т. Ли. — М. :Русайнс, 2015. — 103 c. —Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/61633.html
7. Маюрникова Л.А. Основы научных исследований в научно-технической сфере [Электронный ресурс]: учебно-методическое пособие / Л.А. Маюрникова, С.В. Новосёлов.— Кемерово: Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 2009. — 123 c. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/14381.html