Тепловое сопротивление полупроводниковых приборов. Охладители силовых полупроводниковых приборов

При работе силовые полупроводниковые приборы нагреваются. Для характеристики теплопередающих свойств приборов ввели понятие теплового сопротивления. На основе аналогии между уравнением теплопередачи и законом Ома тепловое сопротивление есть отношение перепада температур к потоку тепловой мощности:

_ Ar _ 1

^{R th} = "p ; = hA^, где h – коэффициент передачи;

А – площадь поперечного сечения канала передачи тепла;

∆Т – разность температур на концах этого канала.

Путь теплового потока через последовательность конструктивных элементов можно представить эквивалентной цепью с последовательным соединением тепловых сопротивлений, соответствующих участков цепи (рисунок 1). Результирующее тепловое сопротивление «полупроводник – охлаждающая среда» – сумма всех тепловых сопротивлений.

Рисунок 1 – Схема определения теплового сопротивления силового полупроводникового прибора

Для силовых приборов основную долю в общем тепловом сопротивлении составляет сопротивление «охладитель – среда» R thha , достигающее 70-80%, поэтому для повышения нагрузочной способности при заданной максимальной температуре структуры стремятся уменьшить это тепловое сопротивление. Оно зависит от типа охладителя и охлаждающей среды.

В качестве охлаждающей среды используется воздух, масло или вода. В зависимости от вида охлаждающей среды системы охлаждения принято разделять на воздушные, жидкостные и испарительные.

Способы охлаждения полупроводниковых приборов разнообразны и могут основываться на их прямом (непосредственном) взаимодействии с внешней охлаждающей средой или на применении промежуточного контура с теплоносителем. В зависимости от реализации движения охлаждающей среды относительно охладителя различают естественное и принудительное охлаждение.

На рисунке 2 изображен таблеточный СПП, закрепленный между двумя охладителями с помощью двух болтов. Вид такого охлаждения: воздушное естественное.

Рисунок 2 – Охладитель О243-150

На рисунке 3 изображен штыревой СПП с водяным охлаждением. Упрощенная конструкция водяного охладителя содержит основание 1 с двумя штуцерами, корпус 2 с внутренней полостью в виде сложного лабиринта для повышения теплопередачи и резьбовое отверстие 3 для крепления прибора 4 . Для подвода и отвода охлаждающей воды на штуцеры кренятся шланги 5.

Рисунок 3 – Охладитель для полупроводникового прибора штыревого исполнения с водяным охлаждением

На рисунке 4 приведены испарительная система охлаждения погружного типа и разнесенная испарительная система соответственно. В первой: СПП 1, закрепленные в охладителях 2, помещаются в охлаждающую жидкость 3, которая заливается в закрытый бак 4. При нагревании приборов жидкость испаряется, и пар поступает в конденсатор 6, где конденсируется, и жидкость 7 из конденсатора вновь стекает в бак. Конденсатор охлаждается воздухом с помощью вентилятора 8. В качестве промежуточного теплоносителя используется легкокипящая жидкость, например фреон, точка кипения которого 47 °С. При этом в баке создается разрежение, что приводит к снижению точки кипения жидкости. Во второй: Корпус каждого охладителя посредством изолирующих патрубков 3 и соединительных труб 4 сообщается с баком 6, заполненным охлаждающей жидкостью 5. Пары жидкости 7 поступают в конденсатор 8, и конденсат 9 вновь стекает в бак 6. Конденсатор охлаждается с помощью вентилятора 10.

Рисунок 4 – Испарительные системы охлаждения

Обе рассмотренные системы испарительного охлаждения громоздки и сложны в эксплуатации. В современной преобразовательной технике перспективным является применение испарительной системы охлаждения с охладителями в виде тепловых труб (рисунок 5).

Рисунок 5 – Схема испарительного охлаждения с тепловой трубой и график изменения температуры

Таблетка СПП 1 устанавливается на корпусе 2 охладителя, в который вмонтированы одна или несколько трубок 3 . Внутренняя поверхность трубок покрыта слоем материала 4 с капиллярными каналами. Трубки герметически запаяны и снабжены ребрами 5, многократно увеличивающими поверхность теплопередачи внешней охлаждающей среды. Внутренняя полость корпуса 2 и трубок 3 заполнена на 20-30 % объема жидкостью (промежуточный теплоноситель). Жидкость испаряется и в виде пара 6 движется вдоль трубок, где пары охлаждаются и конденсируются. Конденсат 7 по капиллярным каналам возвращается в зону нагревания. С помощью вентилятора 8 воздух внешней среды направляется в межреберное пространство охладителя и выводит теплоту во внешнее пространство.

В настоящее время согласно «Энергетической стратегии холдинга РЖД до 2015 г. и на перспективу до 2030г.» ведется модернизация преобразователей путем замены штыревых вентилей, отработавших свой ресурс, на лавинные вентили таблеточного типа с естественной системой охлаждения с охладителями на основе тепловых труб.