Розанов учебник(ЭЭА) / GLAVA_8

Гл. 8. Пассивные компоненты и охладители силовых электронных приборов

чии смазки и без нее для типовых корпусов полупроводниковых приборов [75].

Охладители имеют различное конструктивное исполнение, которое зависит от многих факторов и, в первую очередь, от способа отвода от него тепла.

Наиболее распространенным способом охлаждения является естественное воздушное охлаждение – конвекция. Охладители в этом случае должны обладать площадью, с поверхности которой передается тепло в окружающую среду потоком воздуха, который возникает под воздействием разности плотностей холодного и теплого (у поверхности охладителя) воздуха. Одновременно здесь имеет место теплопередача путем теплового излучения. Для повышения ее эффективности охладители обычно подвергаются ”чернению” и имеют темную поверхность. Простейшим охладителем для отвода малых потерь мощности (единиц ватт) могут быть обычные металлические пластины, на которых монтируется прибор. Тепловое сопротивление такого охладителя в виде плоской прямоугольной пластины может быть определено из следующего соотношения при температуре окружающей среды 45 °С:

	Rs− a =	3,3	C f0,25 +	650Cf ,	(8.15)
		(λ d)0,5
				S

где λ – коэффициент теплопроводности охладителя, Вт/(°C.см); d – толщина охладителя, см; S – площадь поверхности, см2; Cf – поправочный коэффициент, учитывающий состояние поверхности и расположение в пространстве охладителя.

Значения λ при T = (273–350) °C приведены в табл.8.2.

Таблица 8.2. Значения коэффициентов теплоотдачи

Материал	λ , Âò/(°C.ñì)
Алюминий	2,08
Ìåäü	3,85
Латунь	1,1
Сталь	0,46
Слюда	0,006
Оксид бериллия	2,1

Для увеличения общей площади теплоотдачи используют охладители специальных конструкций, например, ребристые (рис. 8.11). В качестве материалов для изготовления охладителей используются алюминий и его сплавы, отличающиеся высокой теплопроводностью.

Охладители в виде металлических пластин в сочетании с теплопроводящей и одновременно

Рис. 8.11. Ребристая конструкция охладителя: l – общая длина; hs – толщина основания

Рис. 8.12. Варианты конструкций соединения полупроводникового прибора с охладителем:

à – винтовое соединение; á – пружинное соединение; â – сборка с электрической изоляцией; 1 – âèíò; 2 – металлическая шайба; 3 – полупроводниковый прибор; 4 – электроизоляционная прокладка; 5 – охладитель; 6 – изоляционная втулка; 7 – цилиндрическая шайба; 8 – прижимная шайба; 9 – гайка; 10 – прижимная скоба

электроизолирующей прокладкой широко используются как в конструкциях отдельных полупроводниковых элементов, так и силовых интегральных модулях. На рис. 8.12 представлены такие конструкции с указанием их основных составных частей.

В целях повышения эффективности теплоотда- чи охладителей их целесообразно конструктивно объединять с корпусом аппарата таким образом, чтобы конвективный обмен осуществлялся непосредственно с воздухом окружающей среды, имеющей более низкую температуру, чем воздушная

240

§ 8.3. Теплоотвод в силовых электронных приборах

Рис. 8.13. Конструкция тепловой испарительной трубки: 1 – внешняя жесткая оболочка; 2 – пористое покрытие

среда внутри аппарата. Однако это не всегда представляется возможным. Поэтому для повышения теплоотдачи иногда бывает более рациональным применение принудительного воздушного охлаждения. Для усиления скорости конвекции применяют вентиляторы, которые обеспечивают вывод нагретых слоев воздуха из конструкции аппарата в окружающую среду. Следует отметить, что принудительное охлаждение существенно повышает эффективность охлаждения не только силовых электронных ключей, но и других силовых компонентов устройства – трансформаторов, конденсаторов, резисторов. В результате появляется возможность значительного улучшения массогабаритных показателей силового электронного устройства.

В силовых электронных устройствах с высокими потерями мощности в полупроводниковых приборах, например, в диодах или тиристорах, при прямых токах свыше 1000 А принудительного воздушного отвода тепла может оказаться недостаточ- но. В таких случаях используют жидкостное охлаждение. Этот вид охлаждения более эффективен по сравнению с воздушным, так как жидкости имеют большую теплоемкость и лучшую теплопроводность, чем воздух. В качестве жидкостей обычно используется вода или масло. Обычно водяное охлаждение осуществляется проточным образом, когда вода поступает из водопровода, затем подвергается деионизации, а затем, протекая через охладитель, направляется в сточную систему.

В отдельных случаях используется рециркуляция воды в целях снижения ее расхода.

Наиболее эффективным способом охлаждения является использование теплоты испарения жидкости. Такой способ называется испарительным охлаждением. На рис. 8.13 показана упрощенная конструкция тепловой испарительной трубки [83]. Внутренняя стенка закрытой металлической трубки покрыта пористым материалом, пропитанным жидкостью. В трубке пониженное давление, способствующее испарению жидкости. От полупроводникового прибора к части À трубки подходит тепло, под воздействием которого происходит испарение жидкости. Затем пар (если используется вода) проходит

âчасть Â, охлаждается, что соответствует адиабати- ческому процессу и поступает в часть Ñ. Тепло, выделяемое при конденсации, отводится в окружающую среду через стенки трубки и охладитель. Сконденсировавшаяся жидкость осаждается на пористом покрытии трубки и далее перемещается

âиспарительную часть À трубки.

Описанный процесс протекает непрерывно с минимальной разницей температур между частями À è Ñ. Тепловая трубка может передать в 500 раз больше тепла, чем твердый проводник того же сечения [90].

Существуют и другие высокоэффективные системы испарительного охлаждения с использованием жидкостей низкой температуры кипения и хорошими электроизоляционными свойствами, например, фреоны.

241

Гл. 8. Пассивные компоненты и охладители силовых электронных приборов

Контрольные вопросы и задачи

1.Измените схему на рис. 8.9 с учетом теплового сопротивления между корпусом прибора и окружающей средой.

2.Как изменится температура внутри электронного ключа, если изменить материал охладителя (алюминий на сталь) при равных условиях эксплуатации?

3.Как и почему влияет на процесс охлаждения цвет наружной поверхности охладителя?

4.Изобразите схему замещения для расчета температурного режима прибора по аналогии со схемой на рис. 8.9, если охладитель и прибор будут размещены на внешней стороне металлического корпуса аппарата.

5.Определите среднее значение температуры внутри тиристоров однофазной мостовой схемы, ра-

ботающей на активную нагрузку с углом управления α = 30°. Действующее значение синусоидального напряжения на входе U = 220 Â;

сопротивление активной нагрузки Rí =1 Ом; падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии ∆ Uïð = 2 В; тепловые сопротивления

в соответствии со схемой на рис. 8.9 имеют следующие значения: Rj− c = 0,01 °Ñ/Âò; Rc− s =

= 0,02 °Ñ/Âò; Rs− a = 0,005 °С/Вт; температура окружающей среды охладителя Ta = 30 °Ñ.

6.В каких случаях целесообразно использовать принудительное воздушное охлаждение?

242