Тепловой расчет полупроводниковых приборов

ТИРИСТОРНЫЙ КЛЮЧ

Учебно-методическое пособие по выполнению курсовой работы

по дисциплине «Полупроводниковые приборы»

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров

210100.62 «Электроника и наноэлектроника» всех форм обучения

Тольятти 2014

УДК 621.38(076.5)

ББК 31

П85

Прядилов А.В., Чернявский, Н.И. Тиристорный ключ: Методическое пособие по выполнению курсовой работы – Тольятти: ТГУ, 2014. – ◙ с.

Приведены теоретические сведения и даны методические рекомендации по расчету тепловых параметров полупроводниковых приборов, температуры переходов. Содержатся рекомендации по выбору числа параллельно и последовательно соединенных приборов.

Содержится задание на курсовую работу и варианты численных значений исходных данных для расчета.

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 210100.62 «Электроника и микроэлектроника» всех форм обучения

Ил. 42. Табл. 4. Библиогр. 0 названий.

Ил.13. Табл.2. Библиогр.:4 наимен.

Утверждено Методическим советом кафедры «Промышленная электроника» Тольяттинского государственного университета.

Ó Тольяттинский государственный университет, 2014

Тепловой расчет полупроводниковых приборов

Возможности современных электронных полупроводниковых приборов ограничены и по току, и по напряжению, и по мощности. При эксплуатации приборов в условиях превышения допустимых значений тока, напряжения или мощности они выходят из строя. Одна из главных причин выхода электронного прибора из строя - превышение предельно допустимой температуры структуры прибора. Поэтому расчет любых электронных устройств и их эксплуатацию необходимо вести так, чтобы не допустить превышения предельно допустимой температуры внутренней рабочей структуры электронных полупроводниковых приборов.

В структуре полупроводникового прибора может быть один или несколько электрических переходов, в которых в основном и выделяются тепловые потери, возникающие при прохождении через прибор электрического тока. От перехода тепловой поток проходит через ряд слоев различных материалов, из которых изготавливаются разнообразные детали прибора - термокомпенсаторы (вольфрам, молибден), прокладки (серебро, олово), основание (медь), охладитель (медь, алюминий) - и отводится в окружающую среду. Таким образом, переход является самой горячей точкой прибора и его температура Tj не должна превышать предельно допустимую Tjm.

Температура структуры тем выше. чем больше средняя мощность тепловых потерь (греющая мощность), а также чем большее сопротивление оказывают прохождению теплового потока слои материалов от перехода до окружающей среды, т.е. чем выше тепловые сопротивления этих слоев.

Рассматривая путь теплового потока через отдельные в конструктивном отношении элементы, можно говорить о тепловых сопротивлениях следующих участков:

1) переход (j)- корпус прибора (c) – ;

2) корпус прибора - контактная поверхность охладителя (h) – ;

3) контактная поверхность охладителя - окружающая среда (a)– ;

4) итоговое сопротивление переход - окружающая среда – .

Численные значения тепловых сопротивлений , и необходимо найти в справочниках или сети internet. При поисках в недостаточно достоверных источниках (сети internet) необходимо находить одну и ту же величину в разных источниках (для повышения достоверности).

Значение теплового сопротивления определяется величиной перепада температур на концах участка, отнесенного к величине греющей мощности P_AV, вызвавшей этот перепад. Например, тепловое сопротивление переход - корпус прибора

= ,

где Тj - температура перехода; Тc - температура корпуса прибора;

Тjc - перепад температур между переходом и корпусом прибора,

- средняя мощность, выделяемая в приборе

Для других участков можно записать аналогичные выражения:

,

,

где Тh - температура контактной поверхности охладителя;

Тa - температура окружающей среды;

Тch - перепад температур между корпусом и контактной поверхностью охладителя;

Тha - перепад температур между контактной поверхностью охладителя и окружающей средой;

Сложив все тепловые сопротивления получим суммарное сопротивление переход - окружающая среда.

, (1.1)

отсюда выразим искомое падение температуры между переходом и окружающей средой:

(1.2)

где Тja - перепад температур между переходом и окружающей средой.

Далее можно найти температуру перехода

Tj = Ta + ∆Tja (1.3)

Для нормальной работы прибора эта температура не должна превышать предельно допустимую Tjm.

Приведенные выражения относятся к установившемуся тепловому режиму. В переходных режимах (например, при периодически выделяемых импульсах мощности) величина перепада температур не остается постоянной, а изменяется во времени. Скорость температур характеризуется тепловыми постоянными времени, зависящими от геометрии и теплоемкости различных зон прибора и охладителя. В случае, если эти постоянные много больше периода импульсов, то динамическими изменениями можно пренебречь и рассчитывать только установившийся тепловой режим.

Для упрощения курсового проекта примем, что тепловые постоянные много больше периода подавания импульсов тока (будем вести расчет только установившегося режима).

В любом случае должно соблюдаться требование, чтобы наибольшее значение температуры перехода прибора при любых режимах его работы было меньше значения предельно допустимой температуры Tjm.