CC BY
49
Технические науки — от теории к практике № 12 (48), 2015 г_______________________
СЕКЦИЯ 3.
ЭЛЕКТРОНИКА
www.sibac.info
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
75
Технические науки — от теории к практике __________________№ 12 (48), 2015 г
определении теплового сопротивления от поверхности контакта охладителя с прибором через радиатор в окружающую среду.
В статье предлагается способ упрощения путем замены теплового сопротивления на два последовательно включенных, что приводит к снижению времени расчета при сохранении точности.
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.
СибАК
www.sibac.info
76
Технические науки — от теории к практике № 12 (48), 2015 г_______________________
www.sibac.info
Расчетные методы определения потерь будем считать известными [3, с. 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;
Кен - внутреннее тепловое сопротивление прибора;
RK - тепловое сопротивление контакта между поверхностью прибора и охладителем;
77
Технические науки — от теории к практике __________________№ 12 (48), 2015 г
Rp - тепловое сопротивление от поверхности контакта охладителя с прибором через радиатор в окружающую среду; tp-„ - температура нагрева p-n структуры; tc - температура окружающей среды.
Rett Rtt Rp
I —0—I----------I---------1 |-1 |—eric- tc
-----Э-P
Рисунок 2. Тепловая схема замещения полупроводникового прибора
на охладителе
В соответствии с законом Ома:
СибАК
www.sibac.info
tp-„ = P * (Ren + RK + Rp ) + tc
(1)
Внутреннее тепловое сопротивление Ren 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 Як определяется характером теплопередачи в контактном слое и зависит от качества обработки контактирующих поверхностей, физикомеханических свойств материалов, усилия в контакте, теплопроводящих свойств контактной смазки. Тепловое сопротивление RK обычно определяется экспериментально и его значение указываются в справочниках по охладителям. Приближенно сопротивление RK можно рассчитать по формуле теплопередачи через плоскую стенку:
R
к
d
i* ^к
(2)
где: 8к - зазор между корпусом прибора и охладителем;
s
Sk - поверхность контакта прибора и охладителя;
1 - коэффициент теплопроводности воздуха или контактной смазки.
При передаче тепла от поверхности контакта через ребра охладителя к охлаждающей среде тепловой поток испытывает сопротивление Rp. Это тепловое сопротивление для разных типов
78
Технические науки — от теории к практике № 12 (48), 2015 г______________________
www.sibac.info
радиаторов рассчитывается по различным формулам с применением эмпирических графиков и таблиц [1, с. 68], что значительно усложняет расчет.
Мы предлагаем, для упрощения инженерных расчетов, это тепловое сопротивление разбить на два последовательно включенных (рисунок 3),
где Rp' - тепловое сопротивление теплопроводности радиатора;
Rp" - тепловое сопротивление теплоотдачи от радиатора в окружающую среду.
Ren Rk Rp' Rp" $
I —Э 1 I-------1 I-----1 I—S—I I—e—|
t.p-n tp tc P
----Э-P
Рисунок 3. Преобразованная тепловая схема замещения полупроводникового прибора на охладителе
Тепловое сопротивление теплопроводности радиатора:
R„
Р dP ■ 1Р ■ n-Лр
h
(3)
где: hp - высота ребра охлаждения охладителя;
Зр - толщина ребра; lp - длина ребра;
n - количество ребер охлаждения;
Ар - коэффициент теплопроводности охладителя.
Если ребра охлаждения различаются по геометрическим
размерам, то: II ЕМ» t hPi t! dp,. • lpi Ip (4)
Тепловое сопротивление теплоотдачи от охладителя
в окружающую среду Rp" рассчитывается из тепловой характеристики охладителя, взятой из справочных данных, либо рассчитанной по геометрическим размерам радиатора [2, с. 20].
79
Технические науки — от теории к практике ___________________№ 12 (48), 2015 г
R” = —c- (5)
p P
где: P - тепловая мощность, выделенная в приборе;
—ts = t — tc - 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.
СибАК
www.sibaeinfo
О РЕЗУЛЬТАТАХ РАЗРАБОТКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СРЕДСТВ МОНИТОРИНГА РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ОБСТАНОВКИ В АСУТП
Соловьев Александр Михайлович
канд. техн. наук, Академия ФСО России
РФ, г. Орел E-mail: solowtevam@mail.ru
Головин Артем Александрович
Академия ФСО России, РФ, г. Орел E-mail: я. artemka@mail. ru
Кинденов Роман Константинович
Академия ФСО России РФ, г. Орел E-mail: roman.kindenov@mail.ru
80
