Чернявский, Н.И. Тиристорный ключ: Методическое пособие по выполнению курсовой работы/ Чернявский Н.И. €

МИНИСТЕСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

Тольяттинский государственный университет

Кафедра "Промышленная электроника"

ЧЕРНЯВСКИЙ Н.И.

ТИРИСТОРНЫЙ КЛЮЧ

Методическое пособие по выполнению курсовой работы

по дисциплине "Твердотельная электроника"

Тольятти 2007

УДК 621.38(076.5)

ББК Ч 554

Чернявский, Н.И. Тиристорный ключ: Методическое пособие по выполнению курсовой работы/ Чернявский Н.И. – Тольятти: ТГУ, 2007. – 23 с.

Приведены теоретические сведения и даны методические рекомендации по расчету тепловых параметров полупроводниковых приборов, температуры переходов при различных режимах их тепловой нагрузки. 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 специальности 200400 “Промышленная электроника”.

Ил.13. Табл.2. Библиогр.:4 наимен.

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

УДК 621.38(076.5)

ББК Ч 554

Ó Тольяттинский государственный университет, 2007

1. ТЕПЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ И
ТЕМПЕРАТУРА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЫ

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.

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 - корпус прибора – ;

2) корпус прибора - контактная поверхность охладителя – ;

3) контактная поверхность охладителя - окружающая среда – ;

4) переход - окружающая среда – .

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.

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;

Тja - перепад температур между переходом и окружающей средой.

Приведенные выражения относятся к установившемуся тепловому режиму. В переходных режимах величина перепада температур не остается постоянной, а изменяется во времени. Следовательно, изменяется и величина теплового сопротивления. Такое сопротивление, зависящее от времени t действия импульса тепловой мощности, называется переходным тепловым сопротивлением, которое обозначается Z(th)t.

Зависимости Z(th)tjc = f(t) и Z(th)tja = f(t) приводятся в справочных данных прибора в виде семейства графиков, соответствующих разным условиям охлаждения. Зависимости Z(th)tja = f(t) приводятся для конкретного типа охладителя.

В установившемся тепловом режиме, когда время t действия тепловой мощности P_TAV много больше постоянных времени тепловых процессов в электронных приборах, Z(th)t =Rth, а P_M.

Зная величину Z(th)tja для конкретных временных интервалов времени t, можно при известном значении мощности рассчитать температуру перехода Tj в момент t следующим образом:

Tj = Ta + Z(th)tja = Ta + P_MZ(th)tja.

Чаще всего при работе электронных устройств мощность в приборе выделяется по сложным временным зависимостям. Поэтому для расчета температуры необходимо произвести операцию замены реального импульса мощности сложной формы эквивалентным ему импульсом мощности прямоугольной формы. В этом случае эквивалентные импульсы мощности (рис.1.1а) имеют ту же амплитуду P_M, что и реальный импульс (рис.1.1,б), и то же среднее за время tи значение . Их длительность определяется как

t_п = N_tи,

где N = P_M, а t_и - длительность реального импульса мощности.

Аналогичное приведение к эквивалентному прямоугольному импульсу мощности можно произвести при загрузке прибора сериями (рис.1.2а) коротких импульсов мощности длительностью tи с амплитудным значением . Такая серия импульсов для расчета температуры перехода Tj может быть заменена одним импульсом длительностью N_tи с той же амплитудой.

Расчет температуры перехода производится по известным значениям мощности и теплового сопротивления Z(th)t. При импульсном нагревании прибора метод расчета можно проиллюстрировать следующим образом.

Пусть необходимо рассчитать превышение температуры перехода T_ja2 по сравнению с температурой Т_а окружающей среды в момент времени t₂, если в приборе в течение времени t₁ выделялась постоянная мощность P_M (рис.1.3а).

В промежутке времени от t₀ до t₁ превышение температуры перехода нарастает до T_ja1, а затем на отрезке времени t₁ - t₂ уменьшается до T_ja2. Для расчета величины Tja₂ условно увеличивают длительность импульса мощности P_M до момента t₂, предполагая, что в интервале t₁ - t₂ рассеивается отрицательная мощность (-P_M), абсолютное значение которой то же, что и у реального импульса (рис.1.3,б). В этом случае можно записать выражение для величины T_j2 в момент t₂ следующим образом:

t₂-t₀ t₂-t₁

T_j2 =T_j2" - T_j2"" = P_MZ(th)tja + (-P_M)Z(th)tja ,

t₂-t₀ t₂-t₁

где Z(th)tja и Z(th)tja - значения переходных тепловых сопротивлений переход-среда, соответствующие интервалам времени t₂ - t₀ и t₂ - t₁ и определяемые по зависимостям Z(th)tja = f(t) при соответствующем охлаждении.