Тепловые режимы работы силовых электронных ключей

При работе силовых полупроводниковых приборов – диодов, тран­зисторов, тиристоров и других в ключевых режимах, в их внутренних структурах происходит выделение активной мощности, которая на­зывается мощностью потерь в ключевом элементе. Общие потери в ключевом элементе при работе в периодическом импульсном режиме принято разделять на статические и динамические. Эти потери приводят к нагреву полупроводниковой структуры прибора. Превышение этой температуры сверх допустимого значения для данного прибора приводит к выходу его из строя. Поэтому надежная работа прибора определяется не только электрическими параметра­ми, но и температурой внутренней структуры. Для снижения этой температуры принимаются меры как для снижения мощности потерь, в частности динамических, так и используются различные способы отвода тепла от прибора, т. е. его охлаждения. Обычно для этой цели используются металлические теплоотводящие радиаторы различной формы с искусственным или естественным охлаждением.

Рассмотрим тепловые режимы работы прибора, используя анало­гию тепловых и электрических процессов на примере упрощенных схем замещения. В целях упрощения будем считать, что тепловые процессы в приборе аналогичны электрическим процессам, протекающим в ли­нейной цепи с сосредоточенными параметрами. Тогда в установив­шемся тепловом режиме, полагая потери мощности в приборе посто­янными и равными среднему значению, можно составить схему замещения, приведённую на рис. 6.20.

Рис. 6.20. Схема замещения теплопроводящей системы

«полупроводниковый кристалл – корпус прибора - охладитель»

Здесь мощность потерь Р_п соответствует току, а значения температуры в различных частях прибора T_i - потенциалам напряжения. По аналогии с законом Ома эти параметры связаны с сопротивлениями цепи R_i. В схеме замещения выбраны следующие тепловые сопротивления, как наиболее значимые:

- R_j-c – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристал­лом и корпусом прибора [°С/Вт];

- R_c-s – тепловое сопротивление между корпусом прибора и охлади­телем;

- R_s-a – тепловое сопротивление между охладителем и окружающей средой.

Соответственно, усредненная температура кристалла – T_j, корпуса прибора – Т_с,охладителя – Т _s и окружающей среды – Т_a. Следует отметить, что под окружающей средой понимается среда, в которой находится охладитель, а не аппарат.

Согласно схеме на рис. 6.20. температуру кристалла прибора можно определить по формуле

Т_j = Р_п (R_j-c + R_c-s + R_s-a) + Т_а .

Из этой формулы видны основные пути снижения усредненного значения температуры кристалла. Реально значения этой температуры будут различаться в структуре кристалла. Обычно наибольшие значения имеют области р-п переходов.

В импульсных режимах работы потери мощности в ключах также имеют импульсный характер. При высоких значениях скважности импульсов мощности температура кристалла тоже начинает колебаться, значительно отличаясь от среднего значения. Эти явления возникают из-за инерционности процессов теплопередачи. При определённых параметрах импульсов мгновенное значение температуры внутри прибора может превысить допустимое значение, что приведёт к необратимым изменениям в структуре полупроводникового кристалла. На рис. 6.21. представлены диаграммы импульсов потерь мощности прямоугольной формы и соответствующего изменения температуры в кристалле полупроводникового прибора.

Рис. 6.21. Диаграммы импульсов мощности и изменения температуры в импульсном режиме работы ключа

При частотах много выше, чем постоянная времени теплового процесса, пульсациями температуры внутри прибора можно пренебречь, так как они становятся незначительными.