Охлаждение силовых электронных ключей

Отвод тепла осуществляется в общем случае тремя путями: теплопередачей, конвекцией и излучением. В схеме замещения на рис. 11.14 тепловые сопротивления Rj__c и R_c__s соответствуют процессам теплопередачи от кристалла к корпусу прибора и от него к охладителю. Сопротивление Rj _с определяется конструкцией прибора и не может изменяться в целях повышения эффективности охлаждения при его использовании. Сопротивление R_c__s представляет тепловой контакт между корпусом прибора и охладителем. Обычно корпус силового прибора (или часть его), как и охладитель, выполнен из металла, являющегося хорошим теплопроводником. Поэтому тепловой контакт между ними будет в значительной мере определяться плотностью соприкосновения этих металлов. Надежный контакт обеспечивается устранением шероховатости поверхностей и увеличением прижимного усилия, приложенного к ним. Обработка специальными смазками с высокой теплопроводностью, например силиконовым вазелином, улучшает тепловой контакт поверхностей. Проблема обеспечения низкого теплового сопротивления часто осложняется необходимостью одновременного создания хорошей электроизоляции между корпусом прибора и охладителем. С этой целью используются специальные материмы, обладающие как хорошей теплопроводностью, так и высокими электроизоляционными свойствами, например слюда, оксид алюминия, оксид бериллия и др. В табл. 11.1 приведены значения тепловых сопротивлений корпус — охладитель при наличии смазки и без нее для типовых корпусов полупроводниковых приборов [6].

Таблица 11.1

Значения контактных тепловых сопротивлений корпус — охладитель

Охладители имеют различное конструктивное исполнение, которое зависит от многих факторов, и в первую очередь от способа отвода от них тепла. Наиболее распространенным способом охлаждения является конвекция — естественное воздушное охлаждение. 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 эффективности последней охладители обычно подвергаются «чернению» и имеют темную поверхность. Для увеличения общей площади теплоотдачи используют охладители специальных конструкций, например ребристые. В качестве материалов для изготовления охладителей используются алюминий и его сплавы, отличающиеся высокой теплопроводностью.

Простейшими охладителями для отвода малых потерь мощности (единицы ватт) могут служить обычные металлические пластины, на которых монтируется прибор. Охладители в виде металлических пластин в сочетании с теплопроводящей и одновременно электроизолирующей прокладкой широко используются как в конструкциях отдельных полупроводниковых элементов, так и силовых интегральных модулях. Для крепления прибора к пластине охладителя может использоваться винтовое или пружинное соединение при помощи прижимной скобы.

В целях повышения эффективности теплоотдачи охладители целесообразно конструктивно объединять с корпусом аппарата таким образом, чтобы конвективный обмен осуществлялся непосредственно с воздухом окружающей среды, имеющей более низкую температуру, чем воздушная среда внутри аппарата. Однако это не всегда представляется возможным. Поэтому 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. Это позволяет существенно повысить эффективность охлаждения не только электронных ключей, но и других силовых компонентов устройства — трансформаторов, конденсаторов, резисторов и др., что дает возможность улучшения массогабаритных показателей силового электронного аппарата.

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 недостаточным. В подобных 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 используется вода или масло. Обычно водяное охлаждение осуществляется проточным образом, когда вода поступает из водопровода, подвергается деионизации, а затем, протекая через охладитель, направляется в сточную систему. В отдельных случаях используется рециркуляция воды в целях снижения ее расхода. Наиболее эффективным является охлаждение при помощи тепловых испарительных трубок, внутренние стенки которых покрыты пористым пропитанным жидкостью материалом и в которых поддерживается пониженное давление, способствующее испарению жидкости под воздействием теплоты, подводимой от полупроводникового прибора.