Вернуться   Форум - Источники Питания > Разное > Теория и Наука > Специальные разделы физики

Ответ
 
Опции темы Опции просмотра
  #1  
Старый 23.08.2011, 02:51
SARYMAN SARYMAN вне форума
Администратор
 
Регистрация: 26.06.2015
Сообщений: 44
По умолчанию Методы расчета теплоотводов полупроводниковых приборов

Введение

Повышение температуры окружающей среди или корпуса транзистора вызывает существенное изменение основных параметров и эксплуатационных характеристик приборов. Снижаются значения допустимой рассеиваемой мощности и напряжений на электродах, возрастают обратные токи. И коэффициент передачи тока и т. п. Поэтому на условия охлаждения транзистора (особенно большой мощности) должно быть обращено особое внимание. Важную роль играет способ крепления транзисторов к теплоотводу, материал теплоотвода и его конструкция.
Крепление транзистора к теплоотводу должно обеспечивать надежный тепловой контакт. Недопустимы перекосы, плохо притертая поверхность, заусеницы, царапины и грязь в месте контактирования транзистора с теплоотводом. Не достаточно плотное соединение транзистора с теплоотводом увеличивает тепловое сопротивление участка корпус транзистора — теплоотвод и влияет па перепад температуры, который может меняться в широких пределах (1…50° С). Хорошее соединение корпуса транзистора с теплоотводом достигается шлифовкой поверхностей, смазкой места соединения специальной мастикой или трансформаторным {невысыхающим) маслом. Полезным оказывается и использование тонких прокладок из фольги и мягких металлов. Сверление больших отверстий в радиаторе для внешних выводов приборов уменьшает эффективность отвода, тепла.
При необходимости изолировать транзистор от теплоотвода или корпуса аппаратуры применяются прокладки из слюды, полихлорвиниловой пленки, бакелитового лака, оксидированного алюминия и др. Прокладки ухудшают теплоотвод и увеличивают тепловое сопротивление, необходимо учитывать это при расчете рассеиваемой мощности транзистора. В качестве материала теплоотвода на практике чаще используется медь и алюминий, обладающие наибольшей теплопроводностью. Конструктивно теплоотводы выполняются как правило в виде пластин из меди толщиной 3...5 мм или алюминия толщиной 4...8 мм, либо в виде ребристых радиаторов различной конфигурации из тех же материалов. Теплопроводность растет с увеличением площади EMBED Equation.3 теплоотвода. Отвод тепла за счет конвекции растет с ростом разности температуры теплоотвода и окружающей среды. Конвекция улучшается при вертикальном положении плоскости теплоотвода.
Максимальный отвод тепла за счет излучения составляет 0,6 EMBED Equation.3 . Рекомендуется покрывать теплоотвод (радиатор) черной матовой краской или зачернять его каким-либо другим способен для увеличения эффективности отвода тепла за счет излучения. В ряде случаев, в качестве теплоотвода выгодно использовать металлические шасси и стенки блоков аппаратуры. Принудительный обдув теплоотвода, помещение его в проточную жидкость (вода, масло) значительно улучшает охлаждение транзисторов и позволяет снимать с них большие мощности. Для улучшения циркуляции воздуха внутри аппаратуры в шасси следует делать отверстия, в э стенках блоков жалюзи.

Метод расчета теплоотвода
Для отвода тепла от полупроводниковых приборов применяют теплоотводы, действие которых основано на различных способах рассеивания тепловой энергии: теплопроводности, естественной и принудительной конвекции воздуха и жидкости, изменения агрегатного состояния вещества, термоэлектрическом эффекте Пельтье.
Существует два способа расчета теплового режима полупроводникового прибора с теплоотводом:
при заданных значениях мощности P, рассеиваемой полупроводниковым прибором, температуре корпуса прибора или температуре перехода и температуре окружающей среды TOC рассчитывают геометрические размеры теплоотвода.
при заданных геометрических размерах теплоотвода, температуре окружающей среды TOC, температуре p-n – перехода или температуре корпуса прибора рассчитывают мощность, рассеиваемую полупроводниковым прибором с теплоотводом.

Расчет теплоотвода – пластины
для естественного охлаждения

Расчет состоит в определении геометрических размеров (рис.1.1 а) теплоотвода при заданной мощности P, рассеиваемой полупроводниковым прибором, EMBED Equation.3 и температуре окружающей среды TOC, EMBED Equation.3 .
Теплоотвод – пластину рекомендуется применять при небольших значениях рассеиваемой мощности (до 5 EMBED Equation.3 )
P = 12 EMBED Equation.3 ; TП = 85 EMBED Equation.3 ; RП –К = 3.0 EMBED Equation.3 ; RK –T = 0.5 EMBED Equation.3 ;

1. Определяется средняя поверхностная температура теплоотвода
EMBED Equation.3 TCP=0.95[TП –P(RП –К + RK -T)]=40,85 EMBED Equation.3 ,

где TП - максимальная температура перехода, 0С;
RП –К - тепловое контактное сопротивление (переход полупроводникового прибора - корпус), EMBED Equation.3 ;
RK –T - тепловое контактное сопротивление (переход полупроводникового прибора - теплоотвода), EMBED Equation.3 ;

2. Теплообменная поверхность
F = EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3

где EMBED Equation.3 =5,85, EMBED Equation.3 - перепад между средней поверхностной температурой теплоотвода и окружающей средой;
EMBED Equation.3 - коэффициент теплоотдачи, равный сумме коэффициента теплоотдачи конвекцией EMBED Equation.3 и коэффициента теплоотдачи излучением EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 .
Коэффициент EMBED Equation.3 определяется из графика (рис.1.1 б) для температуры EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 .
Коэффициент EMBED Equation.3 ,
где EMBED Equation.3 - высота пластины (рис.1.1 а), ею задаются из конструктивных соображений.
EMBED Equation.3 - степень черноты полного нормального излучения
EMBED Equation.3 - коэффициент, учитывающий состояние поверхности радиатора (для гладкой поверхности EMBED Equation.3 ).
EMBED Equation.3 - толщина пластины, необходимо выбирать исходя из необходимости обеспечить жесткость пластины.
Коэффициент EMBED Equation.3 выбирается из графика (рис.1.2) для заданных TCP и TOC.
Длина пластины выбирается из условия EMBED Equation.3

Расчет штыревого теплоотвода
для естественного охлаждения

Для определения геометрических размеров штыревого теплоотвода (рис.1.11) необходимо знать теплоотдачу единичного штыря, имеющего заданные геометрические размеры (условно принято, что все тепло, которое отводится от полупроводникового прибора, рассеивается штырями).
Исходными данными при расчете являются: мощность P, рассеиваемая полупроводниковым прибором, EMBED Equation.3 ; температура TOC окружающей среды, EMBED Equation.3 ; максимальная температура перехода Tп, EMBED Equation.3 ; тепловое контактное сопротивление RП –К (переход - корпус), EMBED Equation.3 ; тепловое контактное сопротивление RK –T (переход - теплоотвод) EMBED Equation.3 .
P = 12 EMBED Equation.3 ; TП = 85 EMBED Equation.3 ;TOC = 35 EMBED Equation.3 ; RП –К = 3.0 EMBED Equation.3 ; RK –T = 0.5 EMBED Equation.3 ;

Расчет ведется в следующей последовательности:
1. Средняя температура теплоотвода:
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
где EMBED Equation.3
2. Температурный напор между основанием штыря и окружающей средой
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
3. Конструктивные параметры теплоотвода:
высота штыря EMBED Equation.3
диаметр верхнего основания штыря EMBED Equation.3
диаметр нижнего основания штыря EMBED Equation.3
шаг продольный или поперечный EMBED Equation.3
толщина теплоотводящей пластины EMBED Equation.3
диаметр среднего сечения штыря EMBED Equation.3
4. Определяются критериальные параметры:
число Грасгофа:
EMBED Equation.3
где EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 - коэффициент кинематической вязкости воздуха; EMBED Equation.3
число Нуссельта:
EMBED Equation.3
5. Коэффициент теплоотдачи конвекцией:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 - коэффициент теплопроводности.
6. Теплоотдача единичного штыря, EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
где EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 - определятся по графику (рис.1.12);
EMBED Equation.3 ( EMBED Equation.3 входит в формулу только с учетом размещения теплоотвода с прибором в блоке РЭА);
EMBED Equation.3 - периметр поперечного сечения штыря (среднего по высоте)
EMBED Equation.3 - площадь поперечного сечения штыря;
EMBED Equation.3 - теплопроводность материала;
7. Общее количество штырей теплоотвода:
EMBED Equation.3
8. Площадь основания теплоотвода:
EMBED Equation.3
где EMBED Equation.3 - площадь занимаемая прибором;
EMBED Equation.3 - площадь контактной поверхности.
9. Площадь одностороннего теплоотвода, при расположении прибора на свободной стороне:
EMBED Equation.3
10. Площадь двустороннего теплоотвода:
EMBED Equation.3


Расчет теплоотвода с петельно – проволочным
оребрением для естественного охлаждения

При расчете теплоотвода задаются геометрическими размерами, а затем последовательными приближениями вычисляют, удовлетворяют ли принятые предварительно размеры теплоотвода мощности полупроводникового прибора и заданной допускаемой температуры перехода.
Исходными данными при расчете являются: мощность P, рассеиваемая полупроводниковым прибором, EMBED Equation.3 ; температура TOC окружающей среды, EMBED Equation.3 ; максимальная температура перехода Tп, EMBED Equation.3 ; тепловое контактное сопротивление RП –К (переход - корпус), EMBED Equation.3 ; тепловое контактное сопротивление RK –T (переход - теплоотвод) EMBED Equation.3 .
P = 12 EMBED Equation.3 ; TП = 85 EMBED Equation.3 ;TOC = 35 EMBED Equation.3 ; RП –К = 3.0 EMBED Equation.3 ; RK –T = 0.5 EMBED Equation.3 ;

Последовательность расчета:
1. Выбирают конструктивные параметры:
диаметр проволочного оребрения EMBED Equation.3
поперечный шаг EMBED Equation.3
продольный шаг EMBED Equation.3
высота ребра EMBED Equation.3
толщина EMBED Equation.3
продольный размер EMBED Equation.3
поперечный размер EMBED Equation.3
высота теплоотвода EMBED Equation.3
расчетная высота ребра (длина полупетли) EMBED Equation.3
число петель на теплоотводе EMBED Equation.3
2. Полная теплоотводящая поверхность теплоотвода
EMBED Equation.3
где EMBED Equation.3 – площадь, занимаемая полупроводниковым прибором с элементами крепления на поверхности теплоотвода; EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 – площадь отверстий под выводы полупроводникового прибора. EMBED Equation.3
3. Коэффициент мощности
EMBED Equation.3
где EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 - охлаждаемая поверхность полупроводникового прибора. EMBED Equation.3
4. Мощность, рассеиваемая теплоотводом
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
5. Допускаемая максимальная температура теплоотвода
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
6. Поверхность «натянутая» на теплоотвод
EMBED Equation.3
7. Коэффициенты облученности
EMBED Equation.3
8. Приведенная степень черноты
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
где EMBED Equation.3 можно принять равным 0,92;
9. Коэффициент теплоотдачи излучением
EMBED Equation.3
где EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 определяется из графика (рис.1.2)
10. Коэффициент кинематической вязкости воздуха
EMBED Equation.3
11. Перепад между средней поверхностной температурой теплоотвода и окружающей среды
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
12. Число Грасгофа
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
13. Коэффициент теплопроводности EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
14. Число Приндгли определяется при заданной EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
15. Число Нюсельта
EMBED Equation.3
16. Коэффициент теплоотдачи конвекцией
EMBED Equation.3
17. Средняя поверхностная температура теплоотвода
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
18. Коэффициент оребрения
EMBED Equation.3
19. Условный коэффициент теплоотдачи на боковой поверхности ребра
EMBED Equation.3
20. Радиус эквивалентного круга
EMBED Equation.3
21. Расчетный коэффициент теплоотдачи эквивалентной круглой пластины
EMBED Equation.3
где EMBED Equation.3 - радиус полупроводникового прибора; EMBED Equation.3

22. Температура теплоотвода на границе поверхности, занимаемой основанием полупроводникового материала
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
23. Максимальная температура теплоотвода
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
24. Правильность расчета проверяется соотношением
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3

Литература

1. Воробьев Н.И. Проектирование электронных устройств. -М: Высш. шк., 1989. – 272с.
2. Обеспечение тепловых режимов изделий электронных техники / А.А. Чернышев, В.И. Иванов, А.И. Аксенов, Д.Н. Глушкова. –М: Энергия, 1980. – 216с.
3. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С. Нарвельт, К.Б. Мазель и др.; Под ред. Г.С. Найвельта. –М: Радио и связь, 1985. – 576с.
4. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования / Под ред. Р.Г. Варламова. –М: Сов. Радио, 1980. – 480с.
5. Скрипников Ю.Ф. Радиаторы для полупроводниковых приборов. –М: Энергия, 1973. – 480с.
6. Глушкова Д.Н., Иванов В.И. Отвод тепла в полупроводниковых приборов. М: Энергия, 1971. – 175с.
7. Конструирование силовых полупроводниковых преобразовательных агрегатов. С.Р. Резинский, В.С. Лабковский и др. –М: Энергия, 1973. – 288с.
8. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.М. Брежнева, Е.И. Гантман и др.: Под ред. Б.Л. Перельмана. –М: Радио и связь, 1981. – 656с.
Вложения
Тип файла: rar 123.rar (4.3 Кб, 32 просмотров)
Ответить с цитированием
Ответ

Опции темы
Опции просмотра

Ваши права в разделе
Вы не можете создавать новые темы
Вы не можете отвечать в темах
Вы не можете прикреплять вложения
Вы не можете редактировать свои сообщения

BB коды Вкл.
Смайлы Вкл.
[IMG] код Вкл.
HTML код Выкл.

Быстрый переход


Текущее время: 16:01. Часовой пояс GMT +4.


Яндекс.Метрика