Лекция 16. Тепловой расчет устройств энергетической

159
Лекция 16
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ
УСТРОЙСТВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
План
1. Введение
2. Способы передачи и отвода тепла
3. Методы расчета теплопередачи, основанные на аналогии с
электрическими цепями
4. Выводы
1. Введение
Одна из важнейших проблем при проектировании электронных
устройств заключается в обеспечении эффективного отвода тепла для того,
чтобы не допустить перегрева компонентов. Эта проблема важна не только
для активных, но и для пассивных компонентов. Например, при нагревании
магнитных компонентов значительно изменяются параметры сердечников.
Поэтому перегрев трансформаторов или дросселей может привести к
насыщению сердечников.
Проблема отвода тепла становится еще более острой при увеличении
удельной мощности преобразователей.
Для устройств энергетической электроники проблема теплоотвода
усложняется тем, что на плате преобразователя устанавливаются
компоненты, отличающиеся по допустимой температуре, физическим
принципам работы, способам отвода тепла.
2. Способы передачи и отвода тепла
Известны три способа передачи тепла от нагретых тел:
теплопроводность, конвекция и излучение. При теплопроводности тепло
передается посредством движения атомов или молекул. При конвекции
теплопередача происходит вследствие движения массы газа или жидкости,
происходящего под действием источника тепла. Движение среды, с помощью
которой происходит конвекция, может быть естественным или
принудительным. В первом случае конвекция является естественной –
движение воздуха или жидкости происходит вследствие температурного
градиента. Во втором случае перемещение происходит под действием
160
вентиляторов и насосов. При излучении тепловая энергия превращается в
энергию электромагнитного поля.
Теплопередача с помощью излучения используется в космических
приложениях. В земных условиях она практически не используется.
Основными являются механизмы теплопроводности и конвекции.
3. Методы расчета теплопередачи, основанные на аналогии с
электрическими цепями
Мощные биполярные транзисторы рассеивают основную часть
мощности на коллекторном переходе. Следствием этого является нагрев
перехода и всего транзистора. Температура перехода не может превышать
допустимое значение TJ max , иначе транзистор выйдет из строя. Для
кремниевых биполярных транзисторов величина TJ max
составляет
0
150 − 200 C .
Обозначим PD мощность, которую
транзистор рассеивает в
установившемся режиме. Температура окружающего воздуха равна TA , а
температура коллекторного перехода – TJ .
Передача тепла от нагретого биполярного транзистора описывается
соотношением
TJ − TA = ΘJA PD .
(16.1)
Коэффициент ΘJA называют тепловым сопротивлением. Размерность
теплового сопротивления – К Вт или С Вт . М определяет превышение
температуры устройства по отношению к температуре окружающей среды на
каждый ватт рассеиваемой мощности.
Равенство (16.1) эквивалентно закону Ома для линейной цепи. Такая
эквивалентность становится очевидной, если заменить мощность PD на ток
I , а разность температур – на разность напряжений между узлами цепи.
Таким образом, процесс отвода тепла можно представить эквивалентной
схемой, показанной на рис. 16.1.
0
Рис. 16.1
161
Величина теплового сопротивления зависит от конструкции корпуса
транзистора. Например, для корпуса ТО-247 тепловое сопротивление
составляет 0.3 С Вт . Значения ΘJA приводятся в справочной литературе.
Пример 16.1. Биполярный транзистор рассеивает мощность PD 0 = 2 Вт
0
при температуре воздуха TA 0 = 25 С и температуре коллекторного перехода
TJ max = 150 0 С . Необходимо определить:
1. Тепловое сопротивление ΘJA ;
2. Максимальную мощность, которую может рассеивать транзистор
при температуре окружающего воздуха 50 0 С ;
3. Температуру
коллекторного
перехода,
если
окружающая
0
температура TA = 25 С , а выделяемая мощность равна 1 Вт.
Решение. Тепловое сопротивление
0
Θ JA =
TJ max − TA0 150 − 25
=
= 62 .5 0 С Вт .
PD 0
2
Максимальная мощность, которую может рассеивать транзистор при
температуре 50 0 С
PD max =
TJ max − TA 150 − 50
=
= 1.6 Вт.
ΘJA
62 .5
Температура коллекторного перехода
TJ = TA + Θ JA PD = 25 + 62.5 × 1 = 87.5 0 С .
Для уменьшения температуры полупроводниковых приборов
необходимо отводить как можно большую мощность. Для этого необходимо
уменьшать тепловое сопротивление.
При передаче тепла посредством теплопроводности сопротивление
ΘJA зависит от физических свойств материала, через который проходит
тепловой поток, и его геометрических размеров:
ΘJA =
δ
λS
.
(16.2)
Здесь λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт ( м ⋅0 С ) ;
δ – толщина материала, через который проходит тепловой поток, м;
S – поперечное сечение материала.
Значения теплопроводности некоторых материалов, применяемых для
отвода тепла от нагретых электронных компонентов, приведены в таблице
16.1.
162
Таблица 16.1
Материал
Коэффициент теплопроводности
λ,
Вт ( м ⋅0 С )
Медь
Алюминий
Сталь
Кремний
Клей эпоксидный
Теплопроводящая паста
Стеклотекстолит
Воздух
390
208
45.5
83
17
0.77
0.3
0.03
Кристалл полупроводника находится в корпусе транзистора или ИС.
Поэтому тепловое сопротивление ΘJA можно представить в виде суммы двух
слагаемых:
ΘJA = ΘJC + ΘCA .
Здесь ΘJC – тепловое сопротивление между коллекторным переходом
и корпусом;
ΘCA – тепловое сопротивление между корпусом и внешней средой.
Последнему равенству соответствует эквивалентная схема, показанная
на рис. 16.2.
Рис. 16.2
Величина ΘJC зависит от конструкции прибора. Для уменьшения этой
составляющей теплового сопротивления увеличивают размер корпуса
транзистора. Во многих случаях поверхность корпуса электрически связана с
одним из выводов. Например, у мощных биполярных транзисторов область
коллектора находится в непосредственном контакте с корпусом.
Для уменьшения теплового сопротивления между корпусом и
окружающей средой мощные электронные устройства выпускаются в
163
корпусах, обеспечивающих тепловой контакт между металлической
поверхностью прибора и монтажной поверхностью или радиатором. Мощные
приборы крепятся на плоских монтажных поверхностях. Перед монтажом
поверхность должна быть очищена от загрязнений и окислов. Металлические
поверхности, на которые монтируются приборы, могут иметь дефекты,
увеличивающие тепловое сопротивление между плоскостями. К таким
дефектам относятся царапины, выбоины в металле. Для улучшения
теплопередачи поверхность покрывается тонким слоем теплопроводящей
пасты.
Если корпус прибора крепится на радиатор, то передача тепла
описывается уравнением
TJ − TA = ( Θ JC + Θ CS + Θ SA ) PD .
Результирующее
составляющих:
тепловое
сопротивление
равно
сумме
трех
Θ JA = Θ JC + ΘCS + ΘSA .
Здесь ΘCS – тепловое сопротивление между корпусом и радиатором;
ΘSA – тепловое сопротивление между радиатором и внешней средой.
Передача тепла от корпуса или радиатора во внешнюю среду
осуществляется с помощью конвекции. Тепловое сопротивление при
конвекции определяется формулой
ΘSA =
1
.
αT S
Здесь αT – коэффициент теплоотдачи, Вт ( м 2 ⋅0 С ) , S – площадь
поверхности корпуса или радиатора, м 2 .
Тепловое сопротивление при конвекции зависит от конструкции
радиатора или корпуса. Изготовители радиаторов указывают их тепловое
сопротивление для конкретных условий применения. Для воздуха при
естественной конвекции коэффициент теплоотдачи ориентировочно
принимают равным 10 Вт ( м 2 ⋅0 С ) .
В схемах, где рассеиваются большие мощности, может потребоваться
принудительное воздушное охлаждение. Для этого выпускаются большие
радиаторы, предназначенные для работы с вентиляторами и имеющие очень
малое тепловое сопротивление между радиатором и внешней средой (
ΘSA = 0.05 ÷ 0.2 0 С Вт ).
Пример 16.2. максимальная допустимая температура биполярного
0
транзистора TJ max =150 С . Требуется:
164
1.
2.
Определить, какую максимальную мощность может рассеивать
0
транзистор при температуре внешней среды TA = 50 С . Тепловое
0
сопротивление транзистора ΘJA = 62 .5 С Вт .
Определить, какую максимальную мощность может рассеивать
транзистор, установленный на радиатор, имеющий параметры:
ΘCS = 0.5 0 С Вт , ΘSA = 4 0 С Вт .
Решение.
1. В первом случае максимальная рассеиваемая мощность
PD max =
TJ max − TA 150 − 50
=
= 1.6 Вт.
ΘJA
62 .5
2. При
наличии
радиатора
тепловое
0
Θ JA = Θ JC + Θ CS + Θ SA = 3.12 + 0.5 + 4 = 7.62 С Вт .
сопротивление
Максимальная
рассеиваемая мощность
PD max =
150 − 50
=13 .1
7.62
Вт.
Рассмотренный пример показывает, как увеличивается максимальная
рассеиваемая мощность при установке транзистора на радиатор.
5. Выводы
1.
2.
3.
Одна из важнейших проблем при проектировании мощных
электронных устройств заключается в обеспечении эффективного
отвода тепла для того, чтобы не допустить перегрева компонентов
преобразователя.
Существуют три способа передачи тепла от нагретых тел:
теплопроводность, конвекция и излучение.
Для расчета теплопередачи широко используется метод,
основанный на аналогии с электрическими цепями.