Режимы работы и защита полупроводниковых приборов. Цель лекции: рассмотреть вопросы: мощность потерь в полупроводниковых приборах; нагревание и тепловые параметры полупроводниковых приборов; охлаждение силовых

Лекция 4.

Цель лекции: рассмотреть вопросы: мощность потерь в полупроводниковых приборах; нагревание и тепловые параметры полупроводниковых приборов; охлаждение силовых полупроводниковых приборов.

МОЩНОСТЬ ПОТЕРЬ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ

Мощность P_d, рассеиваемая полупроводниковым прибором, складывается из мощностей, выделя­ющихся в переходных процессах при включении и выключении (P_s) во включенном (Р_с) и выключенном (P₁) состояниях, во входной цепи управления (P_g).

Средняя за период мощность потерь

(3.1)

где Т— период изменения тока, равный 1/f.

Для вычисления P_d обычно рассчитывают и суммируют отдельные составляющие мощности.

Мощность, выделяющаяся при включении и выключении диодов.

При переключении силовых полупроводниковых приборов, когда переходные процессы, связанные с накоплением избыточных зарядов при включении или с рассасыванием накопившегося заряда при вы­ключении, еще не завершены. Стационарные соотношения между током и напряжением на приборе нарушаются. В этих режимах мгно­венная мощность потерь, как правило, превышает мощность потерь в стационарном режиме при тех же токах и напряжениях. Дополнитель­ные потери энергии в режимах переключения (коммутации) называ­ются коммутационными потерями.

Энергия коммутационных потерь при включении

где L_n —длина n-базы; μ_n, μ_p, — подвижности электронов и дырок соответственно; р_n-сопротивяение базы; S — площадь поверхности структуры

Энергия потерь за одну секунду равна мощности потерь:

где f— частота включений

Мощность коммутационных потерь тиристоров.

Эти потери скла­дываются из потерь при включении и выключении. Энергия потерь при включении для известных зависимостей напряжения u_A(t) и тока i_A(t) анода

где t_gt — сумма длительностей этапов задержки (t₃) включения, лавинообразного нарас­тания анодного тока (t_а) и установления стационарного состояния (t_у).

Мощность коммутационных потерь в транзисторах.

При работе в ключевом режиме транзистор находится в состоянии насыщения или отсечки и кратковременно при переключении — в активном режиме. Режим отсечки характеризуется малым током и большим напряжением, а режим насыщения — малым напряжением при большом токе. Мощность потерь в двух основных состояниях меньше, чем в актив­ном режиме, когда протекают большие токи при высоких напряжени­ях. При высоких частотах переключений эта мощность играет решаю­щую роль в балансе мощностей, рассеиваемых транзистором.

Суммарные мощности потерь в полупроводниковых приборах,

Для диодов суммарная мощность потерь включает в себя потери при смещении в прямом направлении и коммутационные потери

где U_M — амплитуда обратного напряжения.

Для тиристоров средняя мощность потерь с учетом потерь в от­крытом состоянии и потерь при включении и выключении

Суммарная мощность потерь, выделяемых в транзисторе за время отсечки (выключенного состояния) и время насыщения (включенного состояния) и за время формирования фронта и среза импульса (пере­ключений)

НАГРЕВАНИЕ И ТЕПЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Выделяю­щаяся в полупроводниковом кристалле электрическая мощность P_d рассеивается в виде тепла, которое должно быть отведено отр—и-пере-ходов. Надежность прибора непосредственно зависит от максималь­ной температуры полупроводниковой структуры, а способ отведения тепла определяет зависимость температуры от выделяющей мощности.

Статическое уравнение имеет вид:

(3.31)

где h — коэффициент теплопередачи; А — площадь поперечного сечения канала пере­дачи тепла; ΔT— разность температур на концах этою канала.

Тепловое сопротивление.

Для характеристики тепло передающих свойств прибора удобнее ввести понятие теплового сопротивления

сопротивление R_th — электрическому сопротивлению

Путь теплового потока через последовательность конструктивных элементов можно представить эквивалентной цепью с последователь­ным соединением тепловых сопротивлений, соответствующих участ­ков цепи (рис. 3.6):

(3.33)

(3.34)

(3.35)

где, Тс, Тн, Т_а — соответственно температуры структуры, корпуса, охладителя, ох­лаждающей среды; R_{thj с}, R_{th ch}, R_{th ha} — соответственно тепловые сопротивления участ­ков цепи "полупроводниковая структура — корпус прибора", "корпус прибора — кон­тактная поверхность охладителя", "контактная поверхность охладителя — охлаждаю­щая среда".

Результирующее тепловое сопротивление цепи "структура прибо­ра — охлаждающая среда"

(3.36)

Рис. 3.6. Схема определения теплового сопротивления силового полупроводнико­вого прибора

В табл. 3.1 приведены расчетные соотношения для определения температуры полупроводниковой структуры при различных режимах работы приборов, полученные с использованием рассмотренного ме­тода.

Таблица 3.1

Режим работы полупро­водникового прибора	Диаграмма	Расчетная формула
Непрерывная устано­вившаяся (шрузка
Однократный им­пульс нагрузки
Длинная серия им­пульсов нагрузки
Перегрузка, следую­щая за непрерывной работой
Импульсная перегруз­ка, следующая за не­прерывкой работой

ОХЛАЖДЕНИЕ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Отведение от полупроводниковых приборов греющей мощности, достигающей сотен ватт и даже нескольких ки­ловатт, осуществляется системой охлаждения, в которую входят охла­дитель и охлаждающая среда. В качестве охлаждающей среды исполь­зуется воздух, масло или вода. Основные физические константы, ха­рактеризующие теплотехнические свойства охлаждающих сред, приведены в табл. 3.2. Сравнительная теплопередача системы, в кото­рой используется в качестве охлаждающей среды воздух, масло, вода, характеризуется соотношением 1:10:100, т. е. наилучший отвод тепло­ты достигается при передаче от металла охладителя к охлаждающей воде.

Передача теплоты (в газах, жидкостях и твердых телах) происхо­дит от молекулы к молекуле. При конвекции передача теплоты про­исходит в результате взаимодействия масс материальных частиц. Раз­личают свободную и принудительную конвекцию. В принудительной конвекции охлаждающая среда (воздух или жидкость) перемещается посредством вентилятора или насоса. При тепловом излучении тепло­та передается благодаря распространению электромагнитных волн в области инфракрасного спектра. Излучение является видом передачи теплоты, которая может осуществляться в том числе и в вакууме.

В зависимости от вида охлаждающей среды системы охлаждения принято разделять на воздушные, жидкостные и испарительные.

Способы охлаждения полупроводниковых приборов разнообраз­ны и могут основываться на их прямом (непосредственном) взаимо­действии с внешней охлаждающей средой или на применении проме­жуточного контура с теплоносителем. В зависимости от реализации движения охлаждающей среды относительно охладителя различают естественное и принудительное охлаждение

Таблица 3.2

Физические константы	Воздух	Масло	Вода
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м К)	0,028	0,12	0,624
Удельная теплоемкость, Дж/(кг К)
Плотность, кг/м	1,09
Кинематическая вязкость, м^2/с
Коэффициент теплопередачи "металл-охлаждающая среда", Вт/(м -К)	35 при v=6 м/с

Дата добавления: 2014-01-07