Ми не випадково зробили це питання заголовком даного розділу Адже, крім усього іншого, перетворювальна техніка, особливо розрахована на великі потужності, виділяє велику кількість теплової енергії, яку розсіюють практично всі компоненти її силових схем Нагріваються дроселі й трансформатори, силові конденсатори, особливо багато тепла виділяється на потужних напівпровідникових елементах Природно, якщо не вжити певних заходів ще на стадії конструювання перетворювача щодо відведення тепла, легко отримати непрацездатну конструкцію вже на перших випробуваннях Тепловиділення – дуже підступний процес, який може не відразу заявити про себе, як про руйнуючий факторі Якщо елементи силових схем обрані правильно, враховані максимально-можливі струми, то, будучи втіленим у реальну конструкцію, прилад не відразу вийде з ладу, а нормально пропрацює якийсь час І тільки поблизу точки встановлення теплового рівноваги, коли режими всіх елементів більш-менш стабілізувалися, можливо спрацьовування системи захисту від перевищення допустимої граничної температури (якщо прилад таким захистом оснащений), або настане аварійний режим (якщо цей захист не передбачалася) Тому дуже важливо не тільки правильно вибрати елементи силових схем, а й забезпечити їх тривале функціонування, відводячи виділяється тепловдостаточной мірою Яким чином це зробити і якими конструктивними заходами слід користуватися, про це ми зараз поговоримо

Обмовимося відразу: завдання забезпечення хорошого відведення тепла від внутрішніх елементів статичних перетворювачів по своїй складності і трудомісткості порівнянна із завданням розробки електричної схеми При її рішенні необхідно врахувати безліч звязків між елементами, що надають взаємний вплив один на одного, їх конструктивне розташування, індивідуальний характер тепловиділення

Працювати над рішенням такого завдання «врукопашну», як це робилося протягом попередніх десятиліть, просто нереально, враховуючи сучасні вимоги, що предявляються до габаритів сучасних статичних перетворювачів На щастя, всі основні розрахункові методики нині формалізовані і представлені розробнику у вигляді спеціалізованих програмних продуктів Ми обовязково розповімо про ці програми теплового моделювання далі, а зараз познайомимося в найзагальнішому вигляді з принципами теплових розрахунків, з їх основами Вони допоможуть провести первинну опрацювання теплових режимів елементів усередині корпусу

Отже, припустимо, що в розпорядженні конструктора вже є електрична схема стаггіческого перетворювача, виконана компоновка приладу, елементи розставлені по своїх місцях, оптимізовані електричні звязку Тепер можна приступити до теплового розрахунку існуючої компонування З чого почати Насамперед необхідно розробити теплову модель перетворювача, склавши її з теплових моделей окремих частин (краще всього, якщо це будуть елементарні моделі, теорія яких добре розроблена) Звичайно, повну теплову модель створити практично неможливо, тому в розрахунках користуються спрощеними тепловими моделями, в яких тепловиділяючі елементи, охолоджувачі, несучі конструкції замінюються типовими еквівалентами зі стандартними характеристиками

Відволічемося ненадовго від конструювання статичного перетворювача і уявімо собі в найзагальнішому вигляді механізм теплообміну (рис 331), користуючись узагальненою моделлю Мається деяка рівномірно прогріта поверхня «1» з температурою 7), поблизу якої розташована інша рівномірно прогріта поверхня «2» з температурою TJ9 причому температура поверхні «1» вище температури поверхні «2» Відповідно до законів фізики, між цими поверхнями відбуватиметься перенесення теплової енергії: тепловий потік Pi спрямується від поверхні «1» до поверхні «2» таким чином, що перша поверхня буде остигати, а друга – нагре-

тися Цей процес буде відбуватися до тих пір, поки процес теплообміну не стабілізується, тобто тимчасової зміни температур більше не станеться Такий стан називається тепловим рівновагою, і для нього можна записати наступне співвідношення:

i

де R0 – Так зване теплове опір між нагрітими поверхнями

Формула (331) має нагадати читачеві закон Ома для ділянки кола, якщо замість різниці температур підставити різниця електричних потенціалів, замість теплового потоку – силу електричного струму, а замість теплового опору – опір електричне Звичайно, це тільки аналогія, і не більше, але вона дозволяє зрозуміти фізичний зміст процесів, що відбуваються теплообміну Мало того, при розрахунку теплових схем можна запозичувати методи електротехніки До символів, що позначає теплові величини, щоб не сплутати їх з електричними, зазвичай додається індекс «th» (thermo)

Для тих читачів, хто стикається з тепловими розрахунками вперше, має сенс пояснити, що таке тепловий опір, на простому прикладі Добре відомо, що в схемах з потужними регулюючими транзисторами дуже важливо забезпечити гарне прилягання транзистора до радіатора Від того, наскільки щільно притиснутий транзистор до радіатора, залежить температура його нагрівання Якщо транзистор притиснутий до рівної і чистої поверхні радіатора, він буде прогріватися рівномірно і добре «віддавати» виділяється теплову енергію Ну а якщо поверхня радіатора нерівна, Замаслені, не виключено, що силовий транзистор розжариться до червоного, в той час як радіатор залишиться трохи теплим Інтерпретують описаний факт наступним чином: рівна і чиста поверхня має низький тепловий опір, а нерівна і брудна – висока

Правильне визначення теплових опорів – найважливіше завдання теплових розрахунків, оскільки від того, наскільки точно це буде зроблено, залежить результат моделювання процессовтепловиделенія

Тепер ми переходимо до складання найпростішої теплової моделі силового напівпровідникового приладу, наприклад, одиночного транзистора MOSFET Звернемося до рис 332 Кристал напівпровідника «j» Ounction) встановлений на теплопроводящую підкладку (неізольовану від напівпровідника або ізольовану), яка повязана з корпусом приладу «с» (case) Напівпровідник має температуру 7J-, граничне значення якої вказується в техніческойдокументаціі на конкретний напівпровідниковий прилад Корпус нагрітий до температури Тз, Яка не дорівнює Tj, а значить, між напівпровідником і корпусом

Рис 332 Теплова модель напівпровідникового елемента на радіаторі

є деяка тепловий опір, в технічній документації позначається як Rthjc (Тепловий опір «кристал-корпус») Типове значення цього параметра виробник наводить у своїй техдокументації

Далі: корпус напівпровідника в цілях відведення тепла повинен прилягати до радіатора «s» (silk heat), що має температуру T ^ яка також не дорівнює Тз Звідси можна зробити висновок, що між корпусом і радіатором також є тепловий опір, що позначається як Rthcs (Тепловий опір «корпус-радіатор») Величину цього теплового опору знайти в справочнихданних складніше – вона залежить не стільки від типу напівпровідника, скільки від стану прилеглих поверхонь «Радіатор-корпус», від наявності або відсутності ізоляційних прокладок, теплопровідних паст, чистоти обробки поверхонь Зазвичай тут користуються таблицями типових варіантів

Теплова енергія в радіаторі не накопичується Куди ж вона дівається Розсіюється в навколишнє середовище «а» (ambient), що має температуру Та, Яка не дорівнює Ts І ми знову укладаємо, що між радіатором і навколишнім середовищем мається тепловий опір RJhsa (Тепловий опір «радіатор-середовище») Як правило, радіатори статичних перетворювачів безпосередньо контактують з повітрям, теплопровідність якого спочатку невисока Повітряна зона поблизу радіатора прогрівається, втім, досить-таки непогано, але от конвекційні потоки природного походження повільно видаляють нагріте повітря, замінюючи його більш холодним Тому досить часто, щоб знизити тепловий опір «радіаторсреда», радіатор обдувають примусово, за допомогою вентилятора А от якщо з якихось причин примусова вентиляція небажана, від неї доводиться відмовлятися, встановлюючи або великий радіатор, або переходити до водяному охолодженню Для зниження теплового опору (а значить, підвищення тепловіддачі) по

верхность радіатора прагнуть зробити якомога більше – її ребра, покривають у чорний колір електрохімічним способом

Водяне (рідинне) охолодження силових елементів проводиться таким типовим способом: силові модулі встановлюються на металеву пластину, в товщі якої прокладені або трубки (рис 333), або відфрезеровані канали (рис 334), за якими під тиском протікає охолоджуюча рідина Такі деталі сьогодні випускаються в готовому вигляді рядом фірм, тому їх використання не викличе у конструктора особливих труднощів Зручність готового вузла водяного охолодження складається ще й у тому, що для нього фірма-виробник наводить типову криву залежності теплового опору від швидкості потоку протікає рідини (рис 335), а також пере-

Рис 333 Модуль рідинного охолодження з трубками

Рис 334 Модуль рідинного охолодження з фрезерованими каналами

Рис 335 Залежність теплового опору і тиску рідини від швидкості потоку рідини

да тиску на вході і на виході проточною труби від тієї ж швидкості потоку рідини Зазвичай ці графіки поєднуються в одній сітці Тепловий опір може нормуватись як в ° С / Вт (у вітчизняній літературі), так і в ° К / Вт (у зарубіжній документації) Представлений графік відноситься до вузла охолодження, показаному на рис 333, для якого тепловий опір боку установки трубок і зворотної сторони пластини – різні, що і відображено наданому графіку

Але повернемося до розрахункових тепловим моделями Читачі повинні усвідомити собі, що розрахунок теплового опору «радіатор-середовище» – це окрема інженерна задача з досить великою кількістю факторів, що підлягають обліку Тут грає роль і конфігурація радіатора, і його розташування в приладі, і наявність (відсутність) примусового охолодження Щоб нам було легше вирішувати дану задачу, складемо найпростішу теплову модель схеми рис 332, показану на рис 336

Рис 336 Розрахункова модель теплових режимів

Для чого ми побудували цю модель Головна її мета – визначення фактичної температури кристала напівпровідника, яка не може бути безмежною Згідно формули (331), з урахуванням наведеної моделі, температура кристала може бути обчислена за такою формулою:

де Рп – Потужність втрат, що виділяється напівпровідниковим елементом

Потужність втрат у напівпровіднику ми вже навчилися розраховувати в попередніх розділах, а гранична температура навколишнього середовища Та – Це параметр, який апріорі має бути заданий у технічному завданні на проектування Діяти «на око» тут ні в якому разі не можна – надто дорого може обійтися помилка

Ну а якщо до єдиного радіатора кріпляться кілька напівпровідникових приладів Така ситуація аж ніяк не рідкісна, а навіть – тривіальна Зазвичай немає сенсу встановлювати діодні мости, силові транзисторні збірки і зворотні діоди на різні охолоджувачі, оскільки це неконструктивно Набагато краще встановити їх на один радіатор і модифікувати розрахункову теплову схему так, як показано на рис 337

Рис 337 Розрахункова модель у випадку встановлення декількох напівпровідникових приладів на одному радіаторі

Рис 338 Облік теплопроводящей прокладки (пасти)

У технічній документації на конкретний силовий прилад зазвичай вказуються значення теплових опорів «кристал-корпус» і «корпус-радіатор» І якщо при виконанні розрахунків ми підставляємо у формули значення теплового опору «кристал-корпус» в тому вигляді, в якому воно наведено в документації, то з тепловим опором «корпус-радіатор» потрібно поводитися дуже обережно, і ось чому Дане значення наводиться для випадку ідеального прилягання контактної поверхні силового приладу до радіатора У реальних випадках поверхня радіатора має деяку шорсткість, нерівності Установка силових приладів на радіатор також може бути повязана з нерівномірністю зусиль затягування кріпильних елементів, через що реальне тепловий опір «корпус-радіатор» може збільшитися в рази в порівнянні з ідеальним випадком Тому на практиці використовують спеціальні мякі прокладки, теплопровідних пасту, що дозволяють згладити нерівності й забезпечити рівномірний контакт поверхонь У ряді випадків прокладка між корпусом силового приладу і радіатором має принципове значення – її установка виконується для електричної ізоляції силового приладу від радіатора У кожному разі прокладка (або шар теплопроводящей пасти) має своє тепловий опір, яке необхідно приплюсувати до теплоопору «корпус-радіатор» (рис 338), позначене як Rthp

Як обчислити тепловий опір прокладки (пасти) Для цього необхідно використовувати теплову модель необмеженої плоскої однорідної стінки, оскільки товщі

на прокладки (або товщина шару теплопровідної пасти) набагато менше її довжини і ширини Формула для обчислення теплового опору Rthj наступна:

де 8Р – Товщина прокладки (шару теплопроводящей пасти)

X – коефіцієнт теплопровідності матеріалу, Вт / м • С

Sp – Площа одного боку прокладки (шару теплопроводящей пасти)

Коефіцієнти теплопровідності можна знайти в довідниках з електротехнічним матеріалам, а також у постачальників Для прикладу в табл 331 наведені дані по деяких матеріалами, які найбільш часто використовуються при виробництві силової перетворювальної техніки

Таблиця 331 Теплопровідність деяких електротехнічних матеріалів

Окремо слід згадати сучасні ізоляційні матеріали з високою теплопровідністю Один з таких матеріалів з маркою «НОМАКОН-GS» (КПТД-2) [57] випускається в Білорусії по ТУ РБ 145766608003-96 Теплопровідність даного матеріалу в кілька разів перевершує теплопровідність класичної слюди, протягом десятиліть що застосовувалася для ізоляції силових приладів від радіаторів, а механічні характеристики не йдуть ні в яке порівняння з характеристиками слюди «НОМАКОН-GS» – еластичний матеріал, який, подібно гумі, облягає при притиску всі нерівності і вирівнює поверхні зіткнення, не тріскається і не рветься (при акуратному зверненні), в той час як слюда може просто розколотися, якщо її «перетиснути» На рис 339 показано, що відбувається з сполучаються поверхнями при застосуванні твердого ізолятора і ізолятора на основі еластичних полімерів

Рис 339 Переваги застосування еластичних ізоляційних прокладок

Деякі конструктори силової перетворювальної техніки, вперше потримавши цей матеріал у руках, з сумнівом ставляться до можливості виконання ним своїх функцій, оскільки зовні він нагадує жорстку гуму Складається враження, що «гумка» просто розплавиться в працюючому приладі, однак це далеко не так: матеріал виготовляється методом пресування керамічних порошків зі сполучною каучукової основою з армирующим скловолокном, що дозволяє йому зберігати властивості в діапазоні температур від мінус 60 до +250 ° С

На рис 3310 показані типові прокладки, які можна придбати у фірми Ці прокладки розраховані на установку під стандартні корпусу напівпровідникових компонентів Крім того, фірма випускає матеріал у вигляді листів, так що за відсутності в номенклатурі фірми необхідних готових прокладок, їх можна виготовити самостійно (особливо це відноситься до прокладок під потужні напівпровідникові модулі)

Ряд зарубіжних фірм також випускають еластичні теплопроводящие прокладки для силових напівпровідникових приладів, тому при необхідності придбати таку деталь для виготовлення статичного перетворювача не складе ніяких труднощів Як правило, фірми просто вказують тепловий опір конкретної прокладки в каталозі (в ° К / Вт або в ° С / Вт) Наприклад, в середньому (за даними декількох фірм-виробників), тепловий опір прокладки для корпусу типу ТО-3 становить 0,8 ° К / Вт Це значення забезпечується при нормованому зусиллі притиску напівпровідникового приладу до радіатора

Звернемо увагу на правильний вибір таких параметрів, як тепловий опір «кристал-корпус» і «корпус-радіатор» (це опір в документації різних фірм може називатися по-різному, наприклад, «Case-to-silk», «contact thermal resistanse», «контактна тепловий опір» – у кожному разі, перш ніж проводити розрахунки, потрібно розібратися, до чого відноситься параметр) Деякі фірми (особливо грішить цим вітчизняний виробник) чомусь не вважають за необхідне вказувати у своїх довідкових даних тепловий опір «корпус-радіатор», передбачаючи, що розробник має під рукою масу довідкової літератури, з якої миттю «витягне» необхідне значення Такий підхід – в корені неправильний, оскільки значення теплового опору «корпус-радіатор» у різних виробників може варіюватися виходячи з технології виробництва корпусів Має сенс також згадати що приводиться в технічній документації інтегральний параметр «тепловий опір кристал-навколишнє середовище» («junction-to-ambient») Rthja Цей параметр використовують у розрахунках тоді, коли напівпровідниковий елемент передбачається використовувати без тепловідводної радіатора До речі, якщо в технічних даних відсутня значення теплового опору «Корпус-радіатор», велика спокуса відняти з Rthja значення Rthjc,, Щоб отримати Rthcs Однак такий підхід в корені невірний, оскільки цим тепловим опорам відповідають різні закони теплообміну Резюмуємо: весь набір теплових опорів RJhjc,, Rthcs, Л,Лулповинні бути виміряні виробником і наведені в технічній документації У крайньому випадку можливе скористатися даними близьких аналогів, але тоді зросте ймовірність допустити фатальну розрахункову помилку і не забезпечити вимоги щодо допустимих перегрівів

У табл 332 наведені теплові опори для деяких типів серійних силових напівпровідникових приладів

Фірми-виробники багато уваги приділяють зниженню внутрішніх теплових опорів напівпровідникових приладів, і досягли в цьому досить непоганих результатів Враховуючи цю обставину, істотною завданням при конструюванні статичного перетворень-

Таблиця 332 Теплові опору силових транзисторів в стандартних корпусах

зователя буде вирішення питання відводу тепла від силового елемента за допомогою радіатора Дану задачу конструктору доведеться вирішувати самостійно, так як виробник напівпровідника вже ніяк не може знати, які реальні умови експлуатації його продукції Щоб правильно вирішити завдання охолодження силового елемента, нам необхідно розглянути основні закони теплообміну, і вже відповідно з ними будувати теплову модель елемента охолодження

Власне, завдання забезпечення теплового режиму зводиться до зниження теплового опору «радіатор-навколишнє середовище» (Rth_sa), Або забезпечення такої його величини, яка дозволить утримувати максимально-можливу температуру напівпровідникового елемента нижче допустимої Дослідження показали, що распространеніетепловой енергії проісходіттремя шляхами: конвекцією, випромінюванням і кондукціей Класичний варіант конвективного теплообміну – це обдув вентилятором процесора персонального компютера Теплова енергія від радіатора переходить до частинок повітря, нагріваючи його, а вентилятор забирає нагріте повітря, залучаючи повітря охолоджений В якості теплообмінної припливно-витяжної середовища може виступати також вода, масло та інші текучі рідини Дуже часто при розробці перетворювальної техніки розглядають найпростіший випадок природної конвекції, коли повітря без сторонньої допомоги циркулює близько радіатора завдяки природному перепаду тисків Енергія переноситься тут теплоносієм

Конвективний теплообмін між нагрітої твердою поверхнею і газоподібної (рідкої) середовищем в загальному випадку підкоряється закону Ньютона – Рихмана:

;

Ss – Ефективна площа поверхні радіатора

адо – Коефіцієнт конвективного теплообміну між радіатором і середовищем

Якщо уважно подивитися на формулу (334), а також позначити

то в загальному вигляді ми отримаємо вже відоме нам рівняння теплового рівноваги (331), в якому бере участь тепловий опір «радіатор-навколишнє середовище» Rthsak Індекс «к» показує, що це тепловий опір – не повне, а тільки відноситься до конвективної складової

Для побудови теплової моделі необхідно визначити значення коефіцієнта конвективного теплообміну адо, Фізичний зміст якого наступний: це потужність, що розсіюється одиницею поверхні радіатора, за умови, що різниця між температурою радіатора і температурою навколишнього середовища становить 1 ° С Ми не будемо заглиблюватися в питання визначення коефіцієнта конвективного теплообміну, адресувавши читача, наприклад, до видання [2], в якому рішення цього завдання розглянуто докладніше Скажемо лише, що значення цього коефіцієнта залежить від багатьох факторів, серед яких основними є: габаритні розміри радіатора, його конструкція, розташування в приладі, наявність примусового обдуву

Розглянемо тепер закон передачі теплової енергії випромінюванням Ви ніколи не замислювалися про те, що між Землею і Сонцем не циркулює ніяких повітряних потоків, і, тим не менш, теплова енергія, випроменена Сонцем, якимось чином досягає Землі Пояснюється це тим, що теплова енергія може переноситися способом випромінювання

Закон передачі теплової енергії випромінюванням за формою подання дуже схожий на закон конвективного теплообміну:

де a, _ коефіцієнт теплообміну, який визначається випромінюванням

За аналогією з формулою (335) тут ми можемо ввести поняття теплового опору «радіатор-навколишнє середовище» для випадку випромінювання (RlhsJ:

Визначення коефіцієнта теплообміну випромінюванням в загальному вигляді виконується за формулою

де б, – приведена ступінь чорноти поверхні випромінювання

Фла – Коефіцієнт опромінення

f(Ta, Ts) – Перехідна температурна функція, значення якої визначається різницею температур навколишнього середовища і радіатора

Коефіцієнт наведеної ступеня чорноти показує, наскільки добре поверхня випромінює теплову енергію Пояснити фізичний зміст даного коефіцієнта можна на простому прикладі: чорна і матова поверхня набагато краще нагрівається (і, відповідно, випромінює), ніж поверхня, відполірована до блиску З цієї причини правильно спроектовані радіатори пофарбовані (або покриті хімічним способом) в колір, близький до чорного Для довідки, ступеня чорноти різних поверхонь зведені в табл 333

Таблиця 333 Ступінь чорноти різних поверхонь

Тип поверхні

Наведена ступінь чорноти

Алюміній з полірованою поверхнею

0,04..0,06

Алюміній з окисленої поверхнею

0,2..0,3l

Силумінові лиття

0,31..0,33

Анодований в чорний колір алюміній

0,85..0,9

Окислена латунь

0,22

Металева поверхня, пофарбована в колір, близький до чорного

0,92..0,96

Металева поверхня, пофарбована чорним матовим лаком

0,96..0,98

Аналізуючи дані, представлені в табл 333, можна сказати, що найпростіша операція по покриттю радіатора, виготовленого з силумінового сплаву, в чорний колір, дає зниження теплового опору при випромінюванні майже в три рази

Коефіцієнт опромінення фм показує, яка частина, випроменена поверхнею радіатора, «йде» у навколишнє середовище, а яка – повертається назад Ситуація з поверненням енергії зазвичай відбувається у разі використання радіаторів з ребрами (типовий варіант, що використовується при проектуванні статичних перетворювачів), коли потоки енергії переходять з ребра на ребро Як правило, сучасні радіатори мають конструкцію з високими ребрами, близько стоять один до одного, тому в цьому випадку розрахувати коефіцієнт опромінення можна за приблизним співвідношенням:

де а – відстань між ребрами

x – висота ребра

Звичайно, необхідно врахувати, що випромінювання з крайніх ребер відбуватиметься з коефіцієнтом облученности, рівним 1

Перехідна температурна функція f (Ta, Ts) Для інженерних розрахунків цілком згодиться в напівемпіричної вигляді:

результат функції вийде в Вт / (м2 • ° С), якщо значення температур підставляти в градусах Цельсія

Нарешті, третій вид теплообміну – кондуктивний Цей вид теплообміну виникає за рахунок властивості теплопровідності твердих речовин Типовий випадок кондуктивного теплообміну спостерігається тоді, коли мова йде про теплових опорах «перехід-корпус», «корпус-радіатор» Теплопровідні підкладки передають теплову енергію саме відповідно до закону кондуктивного теплообміну, оскільки розміри теплопроводящей матеріалу в напрямку поширення теплового потоку багато менше його інших розмірів Іншими словами, товщина прокладки набагато менше її довжини і ширини, а значить, на гранях прокладки тепло практично ре розсіюється, переходячи від корпусу до радіатора

Кондуктивний теплообмін підпорядковується закону Фурє:

Якщо перегорнути книгу на кілька сторінок назад і звернутися до формули (333), то виявиться, що всі величини, що входять у формулу (3311), нам добре знайомі Однак модель кондуктивного теплообміну використовується не тільки для обліку теплового опору ізоляційних прокладок У деяких випадках – там, де застосування примусової вентиляції приладу застосувати неможливо – кондуктивні властивості металів іспользуютсядля проектування корпусів-радіаторів У цьому випадку сам корпус приладу служить теплоотводом, площа його поверхні покривається ребрами Розрахувати тепловий режим корпуса-тепловідведення – Завдання не просте, наведеними тут співвідношеннями не обійтися Вирішувати це завдання доведеться з примі-

нением методів компютерного моделювання теплових процесів, про які ми далі поговоримо

Звичайно, наведені моделі теплообміну являють собою моделі «в чистому вигляді» У реальності всі три моделі «працюють» одночасно, тому облік теплових опорів різної природи повинен проводитися за принципом їх паралельного зєднання (подібно до того, як в електричній схемі «працюють» паралельно зєднані резистори) Такий теплообмін у спеціальній літературі називається «складним»

Джерело: Семенов Б Ю Силова електроніка: професійні рішення – М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 – 416 c: Ил