Силові напівпровідникові прилади та силові інтегральні мікросхеми (ІМС) розсіюють порівняно велику потужність. Тому одним з найважливіших завдань розробника силового приладу є пошук і реалізація відповідного технічного рішення, що забезпечує ефективне відведення надлишкової теплової енергії від активної структури напівпровідникового кристала. Всі сучасні потужні силові напівпровідникові пристрої випускаються в корпусах, що забезпечують ефективний тепловий контакт між їх металевою поверхнею і спеціально для цих цілей призначеним зовнішнім радіатором. У багатьох випадках ця металева поверхня силового пристрою електрично пов’язана з одним з висновків пристрої (наприклад, у потужного п-р-п-транзистора вона пов’язана з його колектором, у ІМС стабілізатора напруги – з негативним висновком джерела живлення).

З метою забезпечення надійної роботи силових напівпровідникових приладів і силових ІМС в радіоелектронної апаратури в нормативно-технічної документації на ці вироби зазвичай встановлені обмеження на гранично-допустимі температури кристала. Для кремнієвих силових приладів це плюс 150 ° С.

Зазвичай такі тепловідводи (радіатори) використовуються з приладами, які спеціально пристосовані для роботи з радіаторами. Якість тепловідведення зазвичай характеризується величиною теплового опору (ЛР ° С / Вт). Чисельне значення теплового опору визначається за формулою:

де Г р – Температура кристала; Т – температура середовища.

Повний тепловий опір напівпровідникового приладу або силовий ІМС визначається за такою формулою:

I

Для силового напівпровідникового приладу з радіатором цей вираз набуває вигляду:

)

де ЛГКР.ср – Тепловий опір кристал – зовнішнє середовище; / Tj. – Тепловий опір кристал – корпус; радий – Тепловий опір корпус – радіатор; Л ,, р – тепловий опір радіатор – зовнішнє середовище; / Tj. – Тепловий опір корпус – зовнішнє середовище.

– Тепловий опір силового приладу залежить від ряду факторів, основними з яких є розмір кристала;

– Спосіб посадки кристала в корпус;

– Матеріал крісталлодержателя корпусу;

– Спосіб монтажу корпусу на платі;

– Швидкість повітряного потоку в радіоелектронному пристрої.

Для кожного з елементів корпусу, який бере участь у теплообміні, тепловий опір може бути оцінений виходячи з наступного співвідношення [113]:

I

де Я – питома теплопровідність матеріалу; [Вт / (м · К)]; / І S – довжина і площа поперечного перерізу матеріалу, через який протікає тепловий потік.

Будь-який силовий прилад в конкретних умовах експлуатації працює в системі «прилад – навколишнє середовище». Тепловий баланс у цій системі «прилад – навколишнє середовище» встановлюється через деякий час після подачі напруги живлення. Безпосередньо в момент подачі напруги температура p-η переходу зазвичай дорівнює температурі навколишнього середовища. З плином часу температура переходу поступово підвищується до деякого сталого значення (рис. 6.1). При цьому теплова інерційність силового приладу зазвичай характеризується параметром, який називають теплової постійної часу нагрівання ττ. Перехідний процес зміни температури p-η переходу описується експонентою:

I

де– Теплова постійна приладу;– Теплоємність шару; З0

питома теплоємність [Дж / (кг · К)]; σ- щільність матеріалу [кг / м3]; V – об’єм шару [м3].

Рис. 6.1. Типова залежність температури перегріву силового приладу від часу при подачі і відключенні електричного режиму

Для різних ділянок силового приладу час встановлення постійної температури різна і залежить від конкретних конструктивних особливостей структури приладу і теплоємності використовуваного матеріалу. Так, наприклад:

Теплові та електричні впливу на силові напівпровідникові прилади та силові ІМС є основними факторами, що визначають надійність створюваних на їх основі приладів. Для забезпечення високої надійності таких приладів необхідно ретельно вибирати режими, що виключають перевантаження окремих областей структури силових приладів. Суттєве значення в забезпеченні надійності приладів також відіграють спеціальні заходи їх примусового охолодження і застосування різних конструкцій теплоотводов. За допомогою застосування теплоотводов з природним і примусовим охолодженням можна при інших рівних умовах істотно знизити температуру кристала і тим самим підвищити надійність його роботи.

Основними способами зменшення величини теплового опору силових напівпровідникових приладів є:

– Застосування радіатора;

– Застосування примусового охолодження (повітряного – радіаторами, рідинного);

– Застосування методів додаткового тепловідводу безпосередньо через крісталлодержателя або через висновки силового приладу.

Джерело: Білоус О.І., Єфименко С.А., Турцевич А.С., Напівпровідникова силова електроніка, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. кол. вкл.