Министерство образования и науки Российской Федерации
Тольяттинский государственный университет
Кафедра «Промышленная электроника»
Прядилов А.В.
Чернявский Н.И.
Тиристорный ключ
Учебно-методическое пособие по выполнению курсовой работы
по дисциплине «Полупроводниковые приборы»
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров
210100.62 «Электроника и наноэлектроника» всех форм обучения
Тольятти 2014
УДК 621.38(076.5)
ББК 31
П85
Прядилов А.В., Чернявский, Н.И. Тиристорный ключ: Методическое пособие по выполнению курсовой работы – Тольятти: ТГУ, 2014. – ◙ с.
Приведены теоретические сведения и даны методические рекомендации по расчету тепловых параметров полупроводниковых приборов, температуры переходов. 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, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 210100.62 «Электроника и микроэлектроника» всех форм обучения
Ил. 42. Табл. 4. Библиогр. 0 названий.
Ил.13. Табл.2. Библиогр.:4 наимен.
Утверждено Методическим
советом кафедры «Промышленная электроника»
Тольяттинского государственного
университета.
Тольяттинский государственный университет, 2014
1. Тепловой расчет полупроводниковых приборов
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. Таким образом, переход является самой горячей точкой прибора и его температура Tjне должна превышать предельно допустимуюTjm.
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 (j)- корпус прибора
(c) –
;
2) корпус
прибора - контактная поверхность
охладителя (h) –
;
3)
контактная поверхность охладителя -
окружающая среда (a)–
;
4)
итоговое сопротивление переход -
окружающая среда –
.
Численные
значения тепловых сопротивлений
,
и
необходимо найти в справочниках или
сетиinternet. При поисках в
недостаточно достоверных источниках
(сетиinternet) необходимо
находить одну и ту же величину в разных
источниках (для повышения достоверности).
Значение теплового сопротивления определяется величиной перепада температур на концах участка, отнесенного к величине греющей мощности PAV, вызвавшей этот перепад. Например, тепловое сопротивление переход - корпус прибора
=
,
где Тj - температура перехода; Тc - температура корпуса прибора;
DТjc - перепад температур между переходом и корпусом прибора,
- средняя мощность, выделяемая в приборе
Для других участков можно записать аналогичные выражения:
,
,
где Тh - температура контактной поверхности охладителя;
Тa - температура окружающей среды;
DТch - перепад температур между корпусом и контактной поверхностью охладителя;
DТha - перепад температур между контактной поверхностью охладителя и окружающей средой;
Сложив все тепловые сопротивления получим суммарное сопротивление переход - окружающая среда.
, (1.1)
отсюда выразим искомое падение температуры между переходом и окружающей средой:
(1.2)
где DТja - перепад температур между переходом и окружающей средой.
Далее можно найти температуру перехода
Tj = Ta + ∆Tja (1.3)
Для нормальной работы прибора эта температура не должна превышать предельно допустимую Tjm.
Приведенные выражения относятся к установившемуся тепловому режиму. В переходных режимах (например, при периодически выделяемых импульсах мощности) величина перепада температур не остается постоянной, а изменяется во времени. Скорость температур характеризуется тепловыми постоянными времени, зависящими от геометрии и теплоемкости различных зон прибора и охладителя. В случае, если эти постоянные много больше периода импульсов, то динамическими изменениями можно пренебречь и рассчитывать только установившийся тепловой режим.
Для упрощения курсового проекта примем, что тепловые постоянные много больше периода подавания импульсов тока (будем вести расчет только установившегося режима).
В любом случае должно соблюдаться требование, чтобы наибольшее значение температуры перехода прибора при любых режимах его работы было меньше значения предельно допустимой температуры Tjm.