Содержание к диссертации
Введение
1 Изучение и анализ исследований по проблемам разработки и испытаний охладителей мощных силовых полупроводниковых приборов 10
1.1 Обзор видов охлаждения и конструкций охладителей для мощных силовых полупроводниковых приборов 10
1.2 Анализ требований к надежности и охлаждению полупроводниковых приборов в зависимости от тепловых режимов работы 15
1.3 Анализ существующих методов измерения тепловых сопротивлений охладителей 19
1.4 Обзор программ и методов расчета тепловых сопротивлений охладителей 29
1.5 Проблемы разработки и испытаний эффективных охладителей мощных силовых полупроводниковых приборов 34
2 Моделирование и разработка программных средств для анализа и оптимизации параметров охладителей 37
2.1 Концепция построения математической модели 37
2.2 Описание объекта моделирования 38
2.3 Разработка математической модели, описывающей теплообменные процессы, протекающие в охладителе 47
2.4 Реализация математической модели в виде программ для ЭВМ 57
2.5 Проверка адекватности математической модели 71
3 Разработка испытательного стенда для исследования тепловых характеристик охладителей мощных силовых полупроводниковых приборов 76
3.1 Задачи разработки испытательного стенда 76
3.2 Разработка аппаратной части испытательного стенда 76
3.3 Разработка программного комплекса по управлению испытательным стендом 81
3.4 Метрологическое обеспечение разработки испытательного стенда 90
4 Оптимизация и испытания охладителей, исследование результатов моделирования 93
4.1 Анализ и оптимизация массогабаритных параметров охладителей 93
4.2 Исследование результатов анализа и оптимизации охладителей 102
4.3 Оценка точности проведенных экспериментов 109
Заключение 115
Список использованных источников 117
Приложение
- Анализ требований к надежности и охлаждению полупроводниковых приборов в зависимости от тепловых режимов работы
- Анализ существующих методов измерения тепловых сопротивлений охладителей
- Разработка математической модели, описывающей теплообменные процессы, протекающие в охладителе
- Метрологическое обеспечение разработки испытательного стенда
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время увеличение выпуска преобразовательной техники привело к развитию производства силовых полупроводниковых приборов. По оценкам отечественных экспертов, спрос на них в России неуклонно растет. Потребность проявляется не только в силовых полупроводниковых приборах, но и в охладителях, которые используются вместе с ними. Охладители позволяют расширить диапазоны нагрузок полупроводниковых приборов и значительно увеличивают срок их службы. Надежность и долговечность мощных силовых полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе в значительной степени определяются их тепловым режимом работы, т.е. температурным полем в приборе и его изменением во времени. При конструировании полупроводниковых приборов и преобразователей стремление к повышению токосъема с одного прибора и мощности всего преобразователя, с одной стороны, и к созданию компактных конструкций, с другой, приводит к повышенному выделению тепла. В связи с этим проблема отвода тепла от мощных силовых полупроводниковых приборов с целью обеспечения нормального теплового режима работы определила приоритеты научно-исследовательских работ по проектированию охладителей силовых полупроводниковых приборов.
Изучению и решению вопросов по проблемам теплоотвода посвящено большое количество работ под авторством Радашевича А.Б., Лесина Б.А., Венделанда В.М., Мочалова Б.В., Дульнева Г.Н., Рабинерсона А.А., Ашкинази Г.А., Borst D.V., Cooper D., Ikeda S., Araki Т., Tsuda S., WakiY. [1 -7] и др.
В настоящее время проблемам обеспечения нормального теплового режима работы полупроводниковых приборов уделяют особое внимание и производители электронных компонентов, например, SEMIKRON, EPIC, MITSUBISHI [8, 9] и др. Результаты исследований в данных компаниях периодически отражаются в работах Annacker R., Hermwill М., Li J.,
Seng D [10, 11, 12] и др.
Из опубликованных по данной тематике научных работ можно сделать вывод, что для производителей и разработчиков охладителей мощных силовых полупроводниковых приборов актуальны проблемы по созданию новых, оптимальных с точки зрения теплоотвода охладителей, заключающиеся в использовании адекватных и согласованных методик проектирования, расчета, анализа и испытаний, которые реализуются современными аппаратными и программными комплексами.
Поэтому рассмотрение вопросов по проектированию, разработке и
испытаниям эффективных охладителей мощных силовых
полупроводниковых приборов в свете описанных проблем обуславливает актуальность диссертационного исследования.
Цель и задачи исследований
Целью работы является совершенствование существующих и разработка новых охладителей мощных силовых полупроводниковых приборов.
Для реализации поставленной цели в диссертационном исследовании решаются следующие задачи:
Разработка имитационной математической модели, описывающей теплообменные процессы, протекающие в охладителе.
Разработка пакета прикладных программ для анализа существующих и разработки новых охладителей.
Анализ и оптимизация массогабаритных параметров существующих охладителей мощных силовых полупроводниковых приборов.
Разработка специализированного испытательного стенда для экспериментального подтверждения полученных результатов.
Методы исследований
В диссертации использованы существующие и вновь разработанные программные средства, методы математического
моделирования, схемотехники, теории измерении.
Научная новизна
Разработана новая имитационная математическая модель, описывающая теплообменные процессы, протекающие в охладителе.
Созданы алгоритмы по расчету тепловых сопротивлений охладителей мощных СПП.
Разработан новый пакет прикладных программ по расчету тепловых сопротивлений и анализу массогабаритных параметров охладителей мощных СПП.
На основе созданного пакета прикладных программ предложены новые эффективные охладители мощных СПП.
Разработан новый программный комплекс по управлению специализированным испытательным стендом для испытания охладителей.
Практическая значимость полученных результатов
Предложены алгоритмы и программные средства, позволяющие решать задачи:
по расчету тепловых сопротивлений охладителей;
по оптимизации массогабаритных параметров охладителей;
по контролю и расчету параметров охладителей при их испытаниях с помощью специализированного испытательного стенда.
Разработанные программно-аппаратные средства позволили провести испытания изготовленных охладителей и подтвердить результаты, полученные с помощью математической модели.
Основные научные результаты, выносимые на защиту
Имитационная математическая модель, описывающая теплообменные процессы, протекающие в охладителе.
Пакет прикладных программ, его алгоритмы и описание.
Специализированный испытательный стенд для испытаний охладителей мощных силовых полупроводниковых приборов.
Программный комплекс по управлению испытательным стендом.
Новые конструкции охладителей мощных СПП.
Личный вклад автора диссертации
Обоснование задач исследований в первой главе выполнены совместно с группой ученых. Разработка математической модели, описывающей теплообменные процессы, протекающие в охладителе, компьютерное моделирование, написание программных средств, проектирование испытательного стенда, испытания и анализ полученных результатов выполнены автором самостоятельно.
Достоверность результатов
Достоверность результатов работы основана на экспериментальном подтверждении адекватности разработанной модели и на совпадении экспериментальных и расчетных данных.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
заседаниях кафедры теоретической и общей электротехники ГОУВПО Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева, г. Саранск, 2006 г., 2007 г., 2008 г;
объединенных заседаниях кафедры прикладной математики ГОУВПО Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева и Средневолжского математического общества, г. Саранск, 2008 г., 2009 г;
12 научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, г. Саранск, 2007 г;
V Всероссийской научно-технической конференции в секции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики», г. Саранск, 2007 г;
13 научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, г. Саранск, 2008 г;
- 8 Международной научной конференции «Дифференциальные
уравнения и их приложения», г. Саранск, 2008 г;
VI Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» г. Саранск, 2008 г;
VIII Научно - технической конференции молодежи, г. Москва, 2008 г.
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ и получено 2 свидетельства о регистрации разработок в отраслевом информационном фонде.
Объём и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объём диссертации составляет 176 страниц, включая 20 таблиц, 51 рисунок, 68 формул и 3 приложения. Список использованных источников составляет ПО наименований.
Анализ требований к надежности и охлаждению полупроводниковых приборов в зависимости от тепловых режимов работы
При разработке охладителей СПП, как правило, учитываются требования нормативно-технической документации на силовые полупроводниковые приборы в части обеспечения оптимального теплового режима работы. Оптимальный тепловой режим работы СПП является одним из основных факторов обеспечения надежности и высокой производительности силовой полупроводниковой техники. Известно, что полупроводниковые приборы наиболее чувствительны к изменению температуры окружающей среды, поэтому в работах под авторством Семенова Г.М., Чебовского О.Г., Моисеева Л.Г., Недошивина Р.П., Чернышева А.А., Иванова В.И., Аксенова А.И., Глушкова Д.Н. [35, 36] и др. особое внимание уделяется тепловым режимам работы мощных СПП и способам их охлаждения. Проанализировав характеристики отказов силовых полупроводниковых приборов, можно заключить, что особое внимание следует уделять охлаждению прибора и обеспечению стабильности его температуры. Влияние изменения температуры проявляется не только в изменении электрических параметров полупроводниковых приборов, но и в снижении их надежности. В качестве примера на рисунке 1.6 приведен график зависимости интенсивности отказов кремниевых полупроводниковых приборов от их температуры. температура
Внешний перепад температур на рисунке 1.7 характеризует эффективность охладителя. Проанализируем происхождение и сущность проблем, возникающих при отводе тепла от СПП с помощью охладителей.
Основные потери в силовых транзисторах и модулях возникают непосредственно в полупроводниковой структуре. Тепло, выделяемое полупроводниковой структурой, отводится через корпус элемента на охладитель и далее в окружающую среду.
При рассмотрении методов теплопередачи необходимо учитывать три основных процесса: теплопроводность, теплоизлучение и конвекцию. При охлаждении МСПП в зависимости от способа отвода тепла любой из этих процессов может доминировать. Например, если охлаждаемое устройство установлено на охладитель с жидкостным охлаждением, большая часть тепла отводится за счет теплопроводности. При использовании вентиляторов в режиме принудительного охлаждения основное тепло отводится за счет конвекции. Для большинства индустриальных применений охлаждение с помощью естественной конвекции и принудительной вентиляции используется чаще всего.
Тепло от полупроводниковой структуры отводится, прежде всего, через материалы, находящиеся в непосредственном контакте с ней, т.е. корпус элемента и охладитель. Поскольку охладитель имеет конечные размеры, его температура всегда выше температуры окружающей среды. Эта разница зависит от размера, формы, материала охладителя и способа охлаждения (естественное охлаждение, принудительная вентиляция, жидкостное охлаждение). Целью всегда является ограничение температуры полупроводниковой структуры на допустимом уровне.
Условие температурной стабильности системы «силовой полупроводниковый прибор - окружающая среда» при известном значении теплового сопротивления «полупроводниковая структура — окружающая среда» Rfhjcf может быть описано следующим соотношением (1.1): где dPD/dTJ - изменение рассеиваемой мощности на единицу изменения температуры полупроводниковой структуры [35, 36].
Температурные режимы работы силовых полупроводниковых приборов определяются двумя факторами: условиями окружающей среды и количеством джоулева тепла, выделяемого элементом. Чернышев А.А., Иванов В.И., Аксенов А.И., Глушкова Д.Н. [36] указывают на то, что нагревание элемента приводит к ухудшению его рабочих характеристик и ускоренному отказу. Эту зависимость можно проследить по характеристикам отказов. Они показывают, что для обеспечения надежности достаточно не допускать высоких температур, при которых интенсивность отказов асимптотически приближается к своему пределу.
Учитывая изложенное, можно заключить, что надежность работы силовых полупроводниковых приборов и построенной на них радиоэлектронной аппаратуры почти полностью зависит от тепловых режимов работы. Обеспечение теплового режима и, следовательно, высокой надежности работы приборов — основная задача при исследовании охладителей.
Расчет тепловых режимов работы необходимо вести на стадии проектирования изделий. Основными этапами в тепловом расчете являются: выбор оптимальных тепловых режимов работы элементов; учет теплоизоляции от окружающих теплоисточников; определение эффективного охлаждения.
Правильно спроектированный охладитель позволяет обеспечить высокую надежность работы полупроводниковых приборов. Поэтому при проектировании и использовании изделий электронной техники особое внимание следует уделять разработке и расчетам охладителей для полупроводниковых приборов, а при их использовании — правильному монтажу и режиму охлаждения. Большое количество НТД на охладители и предъявляемых к ним требований привело к большому разнообразию конструкций охладителей.
Анализ существующих методов измерения тепловых сопротивлений охладителей
Сравнение тепловых характеристик одинаковых силовых полупроводниковых приборов и охладителей различных производителей, основанное на справочных значениях тепловых сопротивлений, показало большую разницу этих параметров у разных производителей. Необходимо отметить, что характеристики, указываемые в справочных материалах, получают на основе экспериментальных данных. Так, например, при анализе протоколов испытаний охладителей БК 1538, DXC-573 длиной 300 мм и 900 мм соответственно [39, 40, 41] и сравнении полученных тепловых сопротивлений с характеристиками аналогичных охладителей различных производителей была выявлена существенная разница в нормируемых параметрах. Сравнение указанных выше российских охладителей с идентичными охладителями производства «FISHER Electronic» и «Austerlitz Electronic» показало следующую закономерность -тепловое сопротивление охладителей российского производства на 12 — 15 % выше иностранных аналогов. Данные цифры подтверждаются протоколами испытаний №4/06 и №7/06 [39, 40, 41] двух различных охладителей с воздушной системой охлаждения из профиля длиной 300 мм. Здесь следует учитывать, что и результаты тепловых расчетов, используемых при проектировании устройств на основе этих охладителей, окажутся разными, а зачастую и неверными, что вызовет перегрев кристалла, выход из строя изделия и т.д.
Далее предлагается объяснение причин таких расхождений в результатах испытаний.
Проведенный анализ публикаций, статей, справочников и проспектов, предлагаемых различными компаниями, в том числе упомянутыми выше, показал, что подобная ситуация актуальна для всех производителей охладителей и обусловлена разницей используемых способов и методов нормирования теплового сопротивления. В своей работе Колпаков А.И., Карташев Е.Е. «Контрольная точка, или об умении читать DATASHEET «между строк» [42] дают объяснения данного обстоятельства. Поэтому при сравнении тепловых параметров силовых ПП очень важно знать, каким методом измерения пользовался производитель при нормировании значений тепловых сопротивлений Rth и как выбиралась точка измерения температуры (reference point) охладителя, корпуса элемента и окружающей среды. Единственным общим требованием у всех производителей, отраженным в работах Колпакова А. И., Карташев Е.Е, Freyberg М., Scheuermann U. [42, 43, 44], является требование к выбранным точкам, в которых крепились термопары для измерения температуры: учитывать путь прохождения тепла в рабочем режимексплуатации; быть независимыми от геометрии модуля и охладителя; от материала охладителя и типа охлаждающей среды.
В соответствии с работой «Измерение температур в технике» Линевега Ф. [45] непосредственное измерение температуры проводится контактными и бесконтактными методами. К контактным методам измерения относятся измерения при помощи термопар и терморезисторов. Но здесь необходимо учитывать погрешности, возникающие из-за отвода тепла датчиками и проводами. Как правило, данный метод применяется для измерения температуры элементов конструкции приборов и их корпусов. Именно этот метод получил широкое применение при испытаниях охладителей. Бесконтактный метод основан на измерении температуры путем регистрации теплового излучения инфракрасными пирометрами или радиометрами.
Значение теплового сопротивления зависит от выбранных точек измерения температуры, положения контрольной точки, типа охладителя, способа охлаждения, типа охлаждающей среды. Точка, в которой производится измерение температуры, должна находиться на поверхности охладителя или внутри его. Это необходимо для того, чтобы учитывать влияние всех тепловых переходов, участвующих в процессе теплопередачи.
Все силовые 1111 в изолированных корпусах можно разделить на модули с базовой платой, для которых важную роль, помимо характеристик охладителя, играют характеристики базовой платы, и безбазовой платы, для которых определяющими являются характеристики охладителя. Поэтому упомянутые различия также влияют на методы измерения теплового сопротивления.
Рассмотрим основные способы измерения теплового сопротивления, применяемые фирмами SEMIKRON, Mitsubishi и EUPEC [46, 47].
Существует два способа крепления термопар для базовых модулей. На рисунке 1.8 представлен способ, в котором термопара располагается в охладителе. Место для измерения температуры корпуса Тс размещается в теле охладителя непосредственно под полупроводниковой структурой в месте прохождения наибольшего теплового потока. Для размещения датчика в охладителе сверлится отверстие диаметром 2,5 мм до контакта с корпусом модуля. При этом измеряемое значение оказывается независимым от расположения чипа по отношению к корпусу модуля и его конструкции, а также от материала охладителя и способа охлаждения. рядом с модулем в точке, имеющей минимальное расстояние до полупроводниковой структуры с температурой 2}. Схема установки термопар следующего способа измерения показана на рисунке 1.9.
Здесь контрольная точка для измерения температуры охладителя Г/, находится не на его поверхности, а в отверстии охладителя под чипом на расстоянии 2 мм от базовой платы.
По результатам измерений по одному из предложенных методов вычисляется тепловое сопротивление модуля «полупроводниковая структура — окружающая среда»:
Тепловое сопротивление Rth [С/Вт] для каждой области системы рассчитывается как отношение разницы температур граничащих сред к ,h u-r где AT — разница между температурой охладителя и окружающей средой, С; U — среднее значение напряжения, В; При использовании одного из предложенных способов получаются различные значения тепловых сопротивлений [48 - 51]. Различия теплового сопротивления в зависимости от метода измерения представлены в таблице 1.1. сопротивлений модулей, не имеющих базовой платы. Отмечу, что в таких модулях керамическая подложка с силовыми кристаллами установлена непосредственно на охладителе, в отличии от базовых модулей, где она находится на основании модуля. Для безбазовых модулей невозможно измерить значения Rthjc и Rthch из-за отсутствия теплопроводящего основания корпуса. Для таких модулей физический смысл имеет только сопротивление «полупроводниковая структура — контактная поверхность охладителя» - Rthjh. При использовании метода, схема расположения термопар в котором представлена на рисунке 1.10, температура Г/, измеряется на поверхности охладителя в точке, находящейся максимально близко к тепловыделяющему кристаллу. Правильный выбор точки измерения температуры охладителя играет важную роль для исследования безбазовых модулей. Перепад температуры, вносимый охладителем, у них оказывается больше, чем у стандартных модулей из-за отсутствия эффекта распределения тепла корпусом модуля. Результатом этого является также то, что положение контрольной точки Th оказывается зависимым от геометрии керамической DBC платы. Для исключения зависимости 7 от геометрии керамической DBC платы и более точного определения значений Th и Rthjh применяется следующий метод, показанный на рисунке 1.11: для измерения температуры датчик устанавливается в отверстие диаметром 2,5 мм, просверленное в охладителе под кристаллом, на расстоянии 2 мм от керамики. При таком положении датчика влияние характеристик охладителя на результаты измерения имеет минимальное значение. Кроме того, удается исключить зависимость измеряемых характеристик от геометрии DBC-платы, в результате чего значение тепловых сопротивлений оказывается одинаковым в случае одинаковых полупроводниковых структур и технологии производства модулей. Для приборов и охладителей, которые предназначены для работы в условиях естественного охлаждения и у которых отвод тепла осуществляется посредством естественной конвекции и теплопроводности, температуру окружающей среды следует измерять под корпусом прибора или охладителя на расстоянии, в 5 раз большем его диаметра, но не менее 10 см.
Разработка математической модели, описывающей теплообменные процессы, протекающие в охладителе
В настоящее время увеличение выпуска преобразовательной техники привело к развитию производства силовых полупроводниковых приборов. По оценкам отечественных экспертов, спрос на них в России неуклонно растет. Потребность проявляется не только в силовых полупроводниковых приборах, но и в охладителях, которые используются вместе с ними. Охладители позволяют расширить диапазоны нагрузок полупроводниковых приборов и значительно увеличивают срок их службы. Надежность и долговечность мощных силовых полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе в значительной степени определяются их тепловым режимом работы, т.е. температурным полем в приборе и его изменением во времени.
При конструировании полупроводниковых приборов и преобразователей стремление к повышению токосъема с одного прибора и мощности всего преобразователя, с одной стороны, и к созданию компактных конструкций, с другой, приводит к повышенному выделению тепла. В связи с этим проблема отвода тепла от мощных силовых полупроводниковых приборов с целью обеспечения нормального теплового режима работы определила приоритеты научно-исследовательских работ по проектированию охладителей силовых полупроводниковых приборов. Изучению и решению вопросов по проблемам теплоотвода посвящено большое количество работ под авторством Радашевича А.Б., Лесина Б.А., Венделанда В.М., Мочалова Б.В., Дульнева Г.Н., Рабинерсона А.А., Ашкинази Г.А., Borst D.V., Cooper D., Ikeda S., Araki Т., Tsuda S., WakiY. [1 -7] и др. В настоящее время проблемам обеспечения нормального теплового режима работы полупроводниковых приборов уделяют особое внимание и производители электронных компонентов, например, SEMIKRON, EPIC, MITSUBISHI [8, 9] и др. Результаты исследований в данных компаниях периодически отражаются в работах Annacker R., Hermwill М., Li J., Seng D [10, 11, 12] и др. Из опубликованных по данной тематике научных работ можно сделать вывод, что для производителей и разработчиков охладителей мощных силовых полупроводниковых приборов актуальны проблемы по созданию новых, оптимальных с точки зрения теплоотвода охладителей, заключающиеся в использовании адекватных и согласованных методик проектирования, расчета, анализа и испытаний, которые реализуются современными аппаратными и программными комплексами.
Поэтому рассмотрение вопросов по проектированию, разработке и испытаниям эффективных охладителей мощных силовых полупроводниковых приборов в свете описанных проблем обуславливает актуальность диссертационного исследования. Цель и задачи исследований Целью работы является совершенствование существующих и разработка новых охладителей мощных силовых полупроводниковых приборов. Для реализации поставленной цели в диссертационном исследовании решаются следующие задачи: 1. Разработка имитационной математической модели, описывающей теплообменные процессы, протекающие в охладителе. 2. Разработка пакета прикладных программ для анализа существующих и разработки новых охладителей. 3. Анализ и оптимизация массогабаритных параметров существующих охладителей мощных силовых полупроводниковых приборов. 4. Разработка специализированного испытательного стенда для экспериментального подтверждения полученных результатов. Методы исследований В диссертации использованы существующие и вновь разработанные программные средства, методы математического моделирования, схемотехники, теории измерении. Научная новизна 1. Разработана новая имитационная математическая модель, описывающая теплообменные процессы, протекающие в охладителе. 2. Созданы алгоритмы по расчету тепловых сопротивлений охладителей мощных СПП. 3. Разработан новый пакет прикладных программ по расчету тепловых сопротивлений и анализу массогабаритных параметров охладителей мощных СПП. 4. На основе созданного пакета прикладных программ предложены новые эффективные охладители мощных СПП. 5. Разработан новый программный комплекс по управлению специализированным испытательным стендом для испытания охладителей. Практическая значимость полученных результатов Предложены алгоритмы и программные средства, позволяющие решать задачи: - по расчету тепловых сопротивлений охладителей; - по оптимизации массогабаритных параметров охладителей; - по контролю и расчету параметров охладителей при их испытаниях с помощью специализированного испытательного стенда. Разработанные программно-аппаратные средства позволили провести испытания изготовленных охладителей и подтвердить результаты, полученные с помощью математической модели. Основные научные результаты, выносимые на защиту 1. Имитационная математическая модель, описывающая теплообменные процессы, протекающие в охладителе.
Метрологическое обеспечение разработки испытательного стенда
При разработке охладителей СПП, как правило, учитываются требования нормативно-технической документации на силовые полупроводниковые приборы в части обеспечения оптимального теплового режима работы. Оптимальный тепловой режим работы СПП является одним из основных факторов обеспечения надежности и высокой производительности силовой полупроводниковой техники. Известно, что полупроводниковые приборы наиболее чувствительны к изменению температуры окружающей среды, поэтому в работах под авторством Семенова Г.М., Чебовского О.Г., Моисеева Л.Г., Недошивина Р.П., Чернышева А.А., Иванова В.И., Аксенова А.И., Глушкова Д.Н. [35, 36] и др. особое внимание уделяется тепловым режимам работы мощных СПП и способам их охлаждения. Проанализировав характеристики отказов силовых полупроводниковых приборов, можно заключить, что особое внимание следует уделять охлаждению прибора и обеспечению стабильности его температуры. Влияние изменения температуры проявляется не только в изменении электрических параметров полупроводниковых приборов, но и в снижении их надежности. В качестве примера на рисунке 1.6 приведен график зависимости интенсивности отказов кремниевых полупроводниковых приборов от их температуры. Внешний перепад температур на рисунке 1.7 характеризует эффективность охладителя.
Проанализируем происхождение и сущность проблем, возникающих при отводе тепла от СПП с помощью охладителей.
Основные потери в силовых транзисторах и модулях возникают непосредственно в полупроводниковой структуре. Тепло, выделяемое полупроводниковой структурой, отводится через корпус элемента на охладитель и далее в окружающую среду.
При рассмотрении методов теплопередачи необходимо учитывать три основных процесса: теплопроводность, теплоизлучение и конвекцию. При охлаждении МСПП в зависимости от способа отвода тепла любой из этих процессов может доминировать. Например, если охлаждаемое устройство установлено на охладитель с жидкостным охлаждением, большая часть тепла отводится за счет теплопроводности. При использовании вентиляторов в режиме принудительного охлаждения основное тепло отводится за счет конвекции. Для большинства индустриальных применений охлаждение с помощью естественной конвекции и принудительной вентиляции используется чаще всего.
Тепло от полупроводниковой структуры отводится, прежде всего, через материалы, находящиеся в непосредственном контакте с ней, т.е. корпус элемента и охладитель. Поскольку охладитель имеет конечные размеры, его температура всегда выше температуры окружающей среды. Эта разница зависит от размера, формы, материала охладителя и способа охлаждения (естественное охлаждение, принудительная вентиляция, жидкостное охлаждение). Целью всегда является ограничение температуры полупроводниковой структуры на допустимом уровне.
Условие температурной стабильности системы «силовой полупроводниковый прибор - окружающая среда» при известном значении теплового сопротивления «полупроводниковая структура — окружающая среда» Rfhjcf может быть описано следующим соотношением (1.1): где dPD/dTJ - изменение рассеиваемой мощности на единицу изменения температуры полупроводниковой структуры [35, 36].
Температурные режимы работы силовых полупроводниковых приборов определяются двумя факторами: условиями окружающей среды и количеством джоулева тепла, выделяемого элементом. Чернышев А.А., Иванов В.И., Аксенов А.И., Глушкова Д.Н. [36] указывают на то, что нагревание элемента приводит к ухудшению его рабочих характеристик и ускоренному отказу. Эту зависимость можно проследить по характеристикам отказов. Они показывают, что для обеспечения надежности достаточно не допускать высоких температур, при которых интенсивность отказов асимптотически приближается к своему пределу.
Учитывая изложенное, можно заключить, что надежность работы силовых полупроводниковых приборов и построенной на них радиоэлектронной аппаратуры почти полностью зависит от тепловых режимов работы. Обеспечение теплового режима и, следовательно, высокой надежности работы приборов — основная задача при исследовании охладителей.
Расчет тепловых режимов работы необходимо вести на стадии проектирования изделий. Основными этапами в тепловом расчете являются: выбор оптимальных тепловых режимов работы элементов; учет теплоизоляции от окружающих теплоисточников; определение эффективного охлаждения.
Правильно спроектированный охладитель позволяет обеспечить высокую надежность работы полупроводниковых приборов. Поэтому при проектировании и использовании изделий электронной техники особое внимание следует уделять разработке и расчетам охладителей для полупроводниковых приборов, а при их использовании — правильному монтажу и режиму охлаждения. Большое количество НТД на охладители и предъявляемых к ним требований привело к большому разнообразию конструкций охладителей.
