АНАЛИЗ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Расчет параметров охладителей

Увеличение теплового рассеяния силовых полупроводниковых модулей при одновременном уменьшении их габаритных размеров приводит к тому, что тепловой расчет изделия становится все более и более важным элементом конструирования. Два свойства — надежность и ожидаемый ресурс работы электронного оборудования—обратно пропорциональны температуре компонентов, входящих в систему. Зависимость между надежностью и рабочей температурой обычного кремниевого полупроводникового прибора показывает, что уменьшение температуры соответствует экспоненциальному увеличению его надежности и ресурса работы. Таким образом, длительное время работы и высокая надежность компонента может быть достигнута за счет эффективного сохранения его рабочей температуры в пределах, установленных разработчиками конструкции изделия.

Охладитель — это устройство, которое улучшает теплоотдачу от горячей поверхности (обычно это корпус силового модуля) к более холодной окружающей среде— воздуху. В дальнейшем, воздух — это окружающая (охлаждающая) среда. В большинстве случаев тепло передается через контакт между твердой поверхностью компонента и охлаждающим воздухом, что является большой проблемой для отвода тепла. Применение теплоотвода значительно уменьшает барьер для передачи тепла путем увеличения площади поверхности, имеющей прямой контакт с охлаждающей средой. Основная цель применения охладителя — поддерживать температуру компонента ниже максимально допустимого предела, предусмотренного производителем.

Тепловая схема

Перед обсуждением процесса выбора охладителя необходимо дать определение общим терминам и установить концепцию тепловой схемы. Условные обозначения и определения представлены ниже.

Q: полная мощность или интенсивность теплового рассеяния (Вт). Определяет интенсивность теплового рассеяния электронного компонента в работе. Для задачи выбора охладителя используется максимальная мощность рассеяния.

Tj : максимальная температура кристалла электронного компонента (°C). Приемлемый диапазон значений Tj лежит в пределах от 115 °C (в типовых случаях) и для некоторых устройств может превышать 180 °C.

Tc : температура корпуса компонента (°C).

Ts : температура охладителя (°C). Максимальная температура охладителя в месте, приближенном к компоненту.

Ta : температура окружающего воздуха (°C).

Используя эти температуры и уровень теплового рассеяния, количественно эффективность теплопередачи через две нагреваемые зоны можем описать величиной теплового сопротивления R, выраженного как:

, (1.3)

где ΔT есть разница температур между двумя зонами нагрева. Тепловое сопротивление аналогично электрическому сопротивлению ΔR, рассчитываемому по закону Ома:

, (1.4)

где ΔV — разность потенциалов, а I — ток.

Рассмотрим простой случай, где охладитель установлен на корпус компонента, как показано на рис. 1.20.

выбор рис1

Подпись: Рис 1.20. Эквивалентная схема теплового сопротивленияИспользуя концепцию теплового сопротивления, простейшую тепловую схему данной системы можно изобразить, как показано на рис. 1. В этой модели тепловой поток движется от p-n-перехода к корпусу, затем через место соединения к охладителю, где и рассеивается в окружающую среду.

Тепловое сопротивление между переходом и корпусом компонента описывается следующим образом:

, (1.5)

Это сопротивление определяется технологией изготовления электронного компонента и приводится как справочная (постоянная) величина для данного компонента.

Точно так же тепловое сопротивление «корпус–охладитель» и «охладитель–окружающая среда» описываются как:

, (1.6)

, (1.7)

Здесь Rcs — тепловое сопротивление «корпус–охладитель», часто называемое переходным сопротивлением. (Эта величина зависит от качества соприкасающихся поверхностей и теплопроводящего материала контакта.) Rca — тепловое сопротивление охладителя.

Таким образом, полное переходное сопротивление «кристалл — окружающая среда» описывается как сумма сопротивлений всех трех переходных зон:

, (1.8)

Допустимое тепловое сопротивление охладителя

Путем несложного преобразования предыдущего уравнения тепловое сопротивление охладителя можно записать так:

, (1.9)

В этом выражении Tj , Q и Rjc определяются изготовителем компонента, а Ta и Rcs — параметры, определяемые пользователем.

Температура окружающего воздуха Ta для охлаждения электронного оборудования зависит от рабочих условий эксплуатации, в которых предполагается использовать компонент. Обычно этот диапазон находится в пределах 35–45 °C, если изделие находится на открытом воздухе, и от 50 до 60 °C, если компонент работает в закрытом пространстве или находится в потоке воздуха от какого-либо другого нагревающегося устройства.

Переходное сопротивление Rcs зависит от чистоты поверхности охладителя, его геометрических параметров (неплоскостность), усилия монтажа, площади контакта и, конечно, типа теплопроводящего материала (пасты) и его толщины. Определение величины этого сопротивления — задача довольно трудная, т.к. оно зависит от усилия монтажа и других случайных параметров. Типичные величины для самых распространенных теплопроводящих материалов приведены в таблице 1.5.

Таким образом, величина теплового сопротивления выбираемого охладителя должна быть равна или меньше величины Rsa, чтобы температура установленного кристалла не превышала заданную производителем величину Tj .

Таблица 1.5. Параметры охладителей

выбор табл1

Реализация сложных логических функций на интегральных микросхемах