Забезпечення прийнятної температури р-і-переходів у напівпровідникових приладах є найважливішим аспектом забезпечення їх надійності Це досить просто в стаціонарному режимі роботи, коли максимально допустимі струми вказані у технічній документації Ненабагато складніше визначити зміну температури при включенні приладу У технічній документації наводяться перехідні тепловиехарактерістікі, що звязують збільшення температури р-і-нерехода в порівнянні з температурою корпусу приладу під час впливу одиничного стрибка доданою до нього потужності Для одержання повного теплового опору між р-і-переходом приладу і навколишнім середовищем необхідно скласти тепловий опір р-і-перехід-корпус для стаціонарного режиму роботи з тепловим опором корпус-тепловідвід і з тепловим опором тепловідвід-навколишнє Середа Різниця тим-

ператур р-га-перехід-навколишнє середовище визначається добутком розсіюється на суму всіх цих теплових опорів

А от оцінити тепловий режим приладу у випадку складної форми імпульсів струму або під впливом імпульсів з різною амплітудою істотно складніше Перехідні теплові характеристики в технічній документації визначають різницю температур мeжду p-n-11epexодом і корпусом тільки як функцію від впливу постійної потужності, поданої на прилад протягом певного часу, причому сам прилад передбачається встановленим на тепловідвід нескінченних розмірів, без градієнта температури між корпусом приладу і теплоотводом Не існує простих аналітичних методів обєднати перехідну теплову характеристику приладу з перехідними тепловими характеристиками систем корпус-тепловідвід і тепловідвід-навколишнє середовище Вирішення цього завдання може бути знайдено при поданні перехідних теплових характеристик як електричних ланцюгів з різними елементами, моделирующими шляху проходження тепла

У середині 19-го століття Олівер Хевісайд (Oliver Heaviside) показав, що лінійний потік тепла при теплопровідності може бути представлений розподіленої ланцюгом, що складається з послідовних резисторів і паралельних конденсаторів Якщо постійний потік тепла поданий на один край такій нескінченно довгому ланцюгу, його температура буде зростати пропорційно квадратному кореню часу На противагу LCлініям для RC-ліній немає ні швидкості поширення, ні ефекту віддзеркалення енергії Вплив струмом на один кінець RC-лінії викликає негайний відгук на іншому кінці, тільки дуже і дуже ослаблений Пізніше В E Ньюела (WE Newell) з «Вестінгауз Ресерч Лабораторіз» (Westinghouse Research Laboratories) у серії публікацій IEEE проаналізував безліч електричних ланцюгів, де показав, що перехідні теплові процеси в напівпровідникових приладах можуть бути представлені серією асимптотических відгуків ЯС-елементів Далі, для будь-яких складних теплових впливів на вході відгук може бути отриманий шляхом поділу вхідного впливу на ряд окремих імпульсів, знаходження відгуку на кожен з них і підсумовування результатів Це вимагає використання інтегралів згортки, і ще виникають питання з поданням додаткових теплових елементів, якими є струмопровідні шини і тепловідводи Автор, зіткнувшись з необхідністю оцінити асиметричну систему охолодження великого тиристора, що мав форму хокейної шайби зі складною формою струму через нього, запропонував представляти весь шлях тепла від р-і-переходу до повітря за допомогою набору ЛС-елементів, що утворюють ланцюг Цей підхід справедливий і для інших напівпровідникових приладів

Передача тепла від р-і-переходу до корпусу в напівпровідникових приладах відбувається за допомогою теплопровідності, хоча межі розділу між різними матеріалами в конструкції перешкоджають потоку тепла бути чисто дифузійним Для більшості тиристорів, при складанні яких використовується твердий припой, перехідна теплова характеристика росте зі швидкістю, трохи меншою, ніж tl/2 Для відображення теплової перехідної характеристики з мінімальними похибками потрібно набір ЛС-елементів Мінімальний їх число – один елемент плюс по одному елементу на кожну декаду часу, причому конденсатор розташовується з боку р-і-переходу, азаканчівается ланцюг резистором Обрана еквівалентна ланцюг повинна збігатися з перехідною теплової характеристикою аж до самих малих інтервалів часу, представляють інтерес Якщо мінімальна тривалість імпульсів струму ЮОмс, то саме менший час, що викликає занепокоєння у частині нагревар-і-переходу, одно Юмкс, хоча енергія, що виділяється при відновленні, може зажадати і окремого обговорення Сума резисторів в еквівалентній ланцюга повинна дорівнювати стаціонарного теплоопору, а конденсатори підбираються досвідченим шляхом, причому їх ємність повинна збільшуватися при видаленні від кінця ланцюга, відповідного Pи-переходу Досконалість збіги еквівалентної електричної моделі з реальною теплової картиною можна перевірити, подавши на її вхід, відповідний р-і-переходу, стрибок струму в 1 А Зміна напруги на вході повинно в часі повторити реальну перехідну теплову характеристику

Додаткове обмеження повязане з необхідністю забезпечення відхилення один від одного кривих з розімкненим виходом від кривих із замкнутим виходом в зоні максимального зміни їх кривизни Ланцюг, що відповідає цим двом умовам, і буде прийнятною аппроксимацией до перехідній характеристиці в умовах з розімкненим і замкнутим виходом Тепловий опір корпус-тепловідвід може бути додано як резистор до виходу ланцюга Перехідна тепловаяхарактерістіка тепловідведення може бути створена аналогічним шляхом, хоча для моделювання може вистачити одного RC-ланки з вхідного конденсатора і шунтуючого резистора, еквівалентного стаціонарного теплоопору Ці ланцюги можуть потім бути зєднані послідовно, щоб отримати загальну теплову перехідну характеристику На вхід можна подати будь-яку функцію залежності енергії від часу у формі струму і отримати еквівалентний температурний відгук у формі напруги Елементи схеми можуть бути розраховані методами чисельного розрахунку

Якщо тиристори мають асиметричну систему охолодження з двох сторін корпусу, що має форму хокейної шайби, то слід використовувати дві еквівалентні електричні схеми, що моделюють два напрямки руху теплових потоків від р-і-переходу Замість двох паралельно зєднаних вхідних конденсаторів можна використовувати один, відповідної ємності

Далі ми розглянемо приклад використання описаної вище методики для тиристора діаметром 125 мм, призначеного для використання в перетворювачі з повторюваними імпульсами струму

На Рис 153 наведена перехідна теплова характеристика цього тиристора і відгук ланцюга, наведеної на Рис 154 (вгорі) Перехідна теплова характеристика, представлена ​​виробником, показана точками, а відгуки електричної моделі в режимах короткого замикання і холостого ходу – суцільними лініями При побудові кривих відгуку номінали резисторів були рівні 1/2 від зазначених на Рис 154, а номінали конденсаторів – в 2 рази більше, в звязку з тим що відвід тепла від Pи-переходу тиристора здійснюється в дві сторони Проте в реальності відвід тепла асиметричний, так як до теплоотводу притиснута тільки одна його сторона Тому на Рис 154 ще наведені моделі мідної шини і тепловідведення

Рис 153 Перехідна тепловаяхарактерістіка тиристора і откликиэлектрическоймодели

Рис 154 Різні елементи електричної моделі теплових процесів в тиристорі

Тиристор в імпульсному режимі проводить лінійно наростаючий струм, який за час 1 с досягає 5000 А, а потім миттєво спадає до нуля Період повторення цього процесу 10c Розрахунок потужності виконується з використанням даних про залежність прямого падіння напруги від струму, наведеного в технічній документації Тиристор змонтований між двома мідними шинами, одна з яких розташована між тиристором і теплоотводом На вхід моделі, зображеної на Рис 155, подавався струм, за формою збігається з потужністю, що виділялася на тиристорі

Рис 155 Натовпів електрична модель теплових процесів в тиристорі

На Рис 156 показані графіки залежності температури р-і-переходу від часу при подачі одиночного імпульсу та серії з десяти імпульсів Хоча показані залежності зміни температури р-я-переходу, модель дозволяє визначити зміни температур та інших частин системи охолодження, наприклад поверхні корпусу тиристора або тепловідведення У всіх точках схеми, що знаходяться зовні тиристора, напруга при перехідному процесі відображає температуру

Рис 156 Залежності температури р-п-переходу від часу при подачі одиночного імпульсу та серії з десяти імпульсів

Монтаж напівпровідникових приладів

Для всіх напівпровідникових приладів потрібно плоска монтажна поверхню Відповідно до загальноприйнятих стандартів площинність повинна бути не гірше 00005 дюймів / дюйм (0005 мм / см), а шорсткість не більше 32 мікродюймів (08xl0 ~3 мм) Поверхня повинна бути перед монтажем очищена тонкої сталевої щіткою від забруднень і оксидів Відповідно до рекомендацій виготовлювачів напівпровідникових приладів монтажна поверхня повинна бути покрита шаром теплопроводящей пасти При цьому шар пасти повинен бути по можливості тонким і гладким

Діоди і тиристори в корпусах, що мають форму шайби, кріпляться до тепловідвід спеціальними зажимами, що забезпечують необхідну контактне зусилля У деяких з цих затискачів використовуються вимірювальні пристрої, індиціюється необхідний тиск, а в інших застосовуються спеціальні тарілчасті шайби з нормованим зусиллям деформації Слід звертати увагу на рівномірність розподілу тиску, що чиниться затискачами на корпуси монтованих приладів Для цього зазвичай злегка загвинчують всі гайки на болтах кріплення за-

жиму, а їх затяжку роблять по черзі, на півоберта кожну, до досягнення необхідного зусилля притиснення монтируемого приладу

IGBT-транзистори зазвичай мають пластмасові корпуси з металевою пластиною для монтажу і тепловідведення І в цьому випадку теплопроводящую пасту слід вживати економно, а монтажні болти повинні бути туго затягнуті

Джерело: Сукер К Силова електроніка Керівництво розробника – М: Видавничий дім «Додека-ХХI, 2008 – 252 c: Ил (Серія «Силова електроніка»)