АНАЛИЗ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Электротехника
  • Элементы электрических цепей
  • Схемы замещения источников
    электрической энергии
  • Анализ цепи переменного тока
     и входящих в нее элементов
  • Параллельное соединение резистивного
    и индуктивного элементов
  • Машины постоянного и переменного тока
  • Принцип действия асинхронного
    и синхронного двигателей
  • Принцип действия машин постоянного тока
  • Трансформаторы и электромагнитные устройства
  • Трансформатор
  • ПРИВЕДЕННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
  • ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА ТРАНСФОРМАТОРОВ
  • ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
  • СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
  • Машины переменного тока
  •  Электрические машины разделяются
    на генераторы и электродвигатели
  • Коллекторные двигатели переменного тока
  • Разборка и сборка электродвигателя
    постоянного тока
  • Выполнению ремонтных работ
  • Электроника
  • Электрические и электронные аппараты
    и устройства
  • Некоторые лампы СВЧ диапазона
  • Полупроводниковые диоды
  • Тиристоры.
  • Выпрямители и инверторы промышленной частоты
  • Электронные усилители
  • Обратная связь в усилителях
  • Катодный и эмиттерный повторители
  • Усилители мощности
  • Повторитель напряжения
  • Шумы в усилителях
  • Генераторы электрических колебаний
  • RC-генераторы
  • Ждущий мультивибратор
  • Мультивибратор на ОУ
  • Цифровые электронные устройства
  • Реализация сложных логических функций
    на интегральных микросхемах
  • Последовательные цифровые устройства
  • Счётчик
  • Регистр
  • Комбинационное цифровое устройство
  •  Сумматоры
  • Импульсные генераторы
    на цифровых микросхемах
  • Охлаждение полупроводниковых приборов
  • Способы охлаждения полупроводниковых
    приборов
  • Воздушное, естественное
    и принудительное охлаждение
  • Системы охлаждения силовых модулей
  • Основные методы охлаждения
  • Расчет параметров охладителей
  • Выбор охладителя
  • Дискретные приборы
  •  

    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