PODMÍNKY SPOLEHLIVÉHO PROVOZU VÝKONOVÝCH POLOVODIČOVÝCH SOUČÁSTEK

Transkript

1 ODMÍNKY SOLEHLIVÉHO OVOZU VÝKONOVÝCH OLOVODIČOVÝCH SOUČÁSEK ro zabezpečení optimálních provozních podmínek je třeba zajistit : - vhodný způsob odvod ztrátového výkonu (chlazení), úměrný předpokládanému zatěžování - dodržení zásad sériového a paralelního řazení součástek - vyloučení nebo omezení provozních režimů, které vedou k degradaci parametrů součástek

2 CHLAZENÍ VÝKONOVÝCH OLOVODIČOVÝCH SOUČÁSEK ři provozu polovodičových součástek vzniká ztrátový výkon, který má za následek zvýšení teploty rostoucí teplotou je nepříznivě ovlivňována řada parametrů součástek možnost tepelného průrazu racovní rozsah teplot křemíkové součástky je omezen dvěma teplotami nejnižší přípustná teplota jmin nejvyšší přípustná teplota jmax ro udržení provozních teplot ve stanoveném teplotním intervalu e nezbytné chlazení součástek, tj. odvádění vznikajícího ztrátového výkonu objemu součástky a rozptylování do okolního prostředí

3 EELNÝ ODO A ŘECHODNÁ EELNÁ IMEDANCE. ři řešení problematiky budeme uvažovat odvod tepla generovaného v součástce do chladiče a odtud do okolního prostředí ok tepelné energie za jednotku času dq/dt th tyčí o průřezu S a tepelnou vodivostí λ můžeme v jednorozměrném případě vyjádřit v ustáleném stavu vztahem d th λs dx V případě tyče o konstantním průřezu S a délce l lze vyjádřit th d λs λs dx l th th je tepelný odpor Na styku dvou různých materiálů dochází k přestupu tepla. Na rozhraní vzniká rozdíl teplot a hustotu tepelného toku rozhraním o ploše S je možno vyjádřit th h S h je koeficient přestupu tepla

4 okud zároveň dochází k ohřevu tělesa s měrným teplem materiálu c o objemu V a hustotě ρ m, roces ohřevu tělesa je podobný nabíjení kondenzátoru a zavádí se tepelná kapacita C th řechodový proces odvodu tepla tělesem při jeho současném ohřevu můžeme modelovat jako nabíjení tepelné kapacity C th přes odpor th d ρ m cv C dt th th th C th d dt eplo vzniká v křemíkové destičce a je rozptylováno chladičem do okolí chladiče o teplotě a. Vzniká-li v součástce ztrátový výkon z, je možno teplotu křemíkové destičky j vyjádřit vztahem j Z z th ja + a j max Z th ja (t) je přechodná (tranzientní) tepelná impedance, která s časem roste lim Z ( t) t th ja th

5 omocí tepelné analogie můžeme řešit komplexní systém výkonové polovodičové součástky s chladičem jako obvod, složený z dílčích tepelných odporů a tepelných kapacit j C s z j c s a V ustáleném stavu th ja je celkový ztrátový výkon generovaný v polovodičové struktuře je teplota ve středu Si destičky je teplota pouzdra v místě styku s chladičem je teplota chladiče v místě styku s pouzdrem je teplota okolí th jc + z th cs j + th ja th sa a j z z a j th ja a j thjc c c thcs a s s thja a

6 Z Je-li thja tepelný odpor definované kombinace pouzdra, chladiče a chladicího media (např. definované rychlosti proudícího vzduchu), potom maximální přípustný ztrátový výkon v ustáleném stavu soustavy zmax j max th ja a j max S velikostí max je spojena proudová zatížitelnost součástky okud součástka pracuje po dobu kratší, než je třeba k ustálení teplotních poměrů v teplotním obvodu, změnu teploty je třeba popsat pomocí přechodné tepelné impedance Z th (t) th ja ( ) t ( ) j t a z Z th jc th sa () t () t Vpřípadě obdélníkového impulsu Z j ( t) s z ( t) z c a th jc c ztrátového výkonu o délce t p max Z j max th ja ( t p a )

7 OUDOVÁ ZAÍŽIELNOS VÝKONOVÝCH OLOVODIČOVÝCH SOUČÁSEK okud součástka pracuje v ustáleném režimu s opakovací frekvencí f > 25 Hz, střední hodnota ztrátového výkonu na součástce j max a j max c AV AV max th ja th jc Střední hodnota ztrátového výkonu na součástce závisí na průběhu proudu a napětí V případě bipolárního tranzistoru je při opakovací frekvenci f AV f 1/ f [ U CE ( t) I C ( t) + U BE ( t) I B ( t)] dt AV max 0

8 Budeme-li uvažovat funkci tranzistoru ve spínacím režimu (obdélníkové průběhy proudu a napětí) ranzistor v sepnutém stavu po část periody (dobu t p ψ/f, 0<ψ<1), ři zanedbání ztrát ve vypnutém stavu AV t on f U CEIC CM CEon BE B p 0 t t p + ton + toff () t dt + ( I U + U I ) t + U () t I ( t)dt ( W + ( U I + U I t W ) AV f on CEon CM BE B ) p + CM ( W + W ) f + ( U I + U ) ψ on off CEon CM BE I h 21E 1 j max a ro maximální proud I CMmax musí platit I f ( W + W ) off CM max p + t j max th ja ψu a on * CE CE thja C on off

9 V případě diody, tyristoru a IGB je možno V-A charakteristiku v sepnutém stavu aproximovat přímkou ro IGB U U + r CE O I CE Maximální přípustná hodnota středního proudu je pak dána vztahem I AV max 2 ψ U rψ j max thja 2r a f ( W + W ) on off ψu 2r 0 roudová zatížitelnost součástky závisí na parametrech součástky (U O, r, a jmax ), na pracovním režimu (ψ, W on, W off ), podmínkách chlazení ( a, thja ) a na pracovní frekvenci f

10 roudová zatížitelnost součástky je výrobcem indikována typovým proudem součástky ypový proud součástky je obvykle udáván pro nízké frekvence, kdy je možno zanedbat vliv zapínacích a vypínacích ztrát thja a j AV r U r r U I max max ψ ψ ψ + thjc c j thja a j AV r U r r U r U r r U I max max max ψ ψ ψ ψ ψ ψ + + rotože typ použitého chladiče a teplota okolí závisí na konkrétní aplikaci, typový proud bývá spojen s teplotou pouzdra c (obvykle 80 C) U diod a tyristorů bývá typový proud často odvozován od střední hodnoty proudu při půlsinusových proudových impulsech ouzdra a chladiče ovlivňují proudovou zatížitelnost součástek v obvodech

11 OUZDA VÝKONOVÝCH OLOVODIČOVÝCH SOUČÁSEK Struktury výkonových polovodičových součástek musí být uzpůsobeny tak, aby: je bylo možno zapojit do elektrického obvodu bylo možno účinně odvádět ztrátové teplo Výkonové polovodičové součástky musí být proto zapouzdřeny ouzdro musí zajistit : dostatečnou mechanickou odolnost vůči vnějším tlakům, působení chvění a rázů a dostatečnou pevnost vývodů při namáhání tahem, velmi malé vnitřní elektrické a tepelné odpory, minimální parazitní indukčnost a kapacity hermetičnost a dlouhodobou tepelnou odolnost,

12

13 DISKÉNÍ SOUČÁSKY Diskrétní součástky menších výkonů - pouzdra s jednostranným odvodem ztrátového tepla epelná roztažnost křemíku je podstatně menší, než roztažnost vodivých materiálů. římé připájení křemíkové struktury (stranou bez řídicí elektrody) na měděnou (obvykle niklovanou) základnu měkkou pájkou je možné jen u součástek s plochou vlastní křemíkové struktury do 70 mm 2 Ostatní kontakty buď pájené, nebo realizované Al drátky spojenými tlakem s Al metalizací

14 Diskrétní součástky větších výkonů Součástky s velkou plochou křemíkové destičky nemohou být z výše uvedených důvodů přímo připájeny na měděnou základnu Velkoplošné křemíkové struktury s průměrem do 63 mm jsou proto připájeny jednostranně (stranou bez řídicí elektrody) na molybdenovou podložku th jc th jak th jak + th jaa th jaa ro součástky s průměrem Si nad 75 mm pouze bez pájených spojů

15 MODULY Ztrátové teplo vznikající v polovodičové struktuře je odváděno do chladiče vrstvou dobře tepelně vodivého elektricky izolujícího materiálu Korundová keramika (Al 2 O 3 ) Nitridová keramika (AlN)

16

17 MODULY Ztrátové teplo vznikající v polovodičové struktuře je odváděno do chladiče vrstvou dobře tepelně vodivého elektricky izolujícího materiálu Korundová keramika (Al 2 O 3 ) Nitridová keramika (AlN) keramická deska oboustranně plátovaná měděnou fólií o tloušťce cca 300 µm (technologie Direct Copper Bonding DCB)

18 Umodulů je obvykle na základní kovovou desku z materiálu s vysokou tepelnou vodivostí připájena keramická deska (nebo více keramických desek) oboustranně plátovaná měděnou fólií o tloušťce cca 300 µm. Al 2 O 3 keramika použitelná pro napětí do 2,5 kv ro vyšší napětí je třeba keramika s vyšší tepelnou vodivostí - AlN

19 Na plátovaných keramických deskách jsou z jedné strany vytvořeny jednotlivé kontaktní plošky, ke kterým jsou připájeny neřízené elektrody součástek, druhou stranou mohou být připájeny ke kovové základně. Výkonové moduly mohou mít plochu kovové základny až 300 cm 2. Materiál Součinitel tepelné roztažnosti α/10-6 K -1 epelná vodivost λ/wm -1 K -1 Objemová epelná kapacita c V /10 6 Jm -3 K -1 ezistivita ρ/ωm Křemík (Si) měď (Cu) Al/SiC Metal matrix composite (70%/30%) x 10-8 korundová keramika (Al 2 O 3 ) aluminium nitrid (AlN)

20

21 CHLADIČE VÝKONOVÝCH OLOVODIČOVÝCH SOUČÁSEK epelný odpor chladiče, thsa,. zabezpečuje přestup tepla z tělesa chladiče do okolního prostředí. z s thsa a hs( s a ) thsa U reálných chladičů není (vzhledem ke konečné tepelné vodivosti materiálu chladiče) teplota povrchu ve všech místech stejná Celkový přestup tepla odpovídá menší efektivní ploše styku S ef < S. 1 Sh 1 1 η S S h Shη ef /S je tzv. účinnost tělesa chladiče thsa ef ro dosažení maximální efektivní plochy chladiče S ef (při minimálním objemu zastavěného chladičem a minimální hmotnosti chladiče) se používají různě profilované chladiče, umožňující efektivní rozptýlení tepla do okolí.

22 1 S h thsa ef 1 Shη Velikost součinitele přestupu tepla h závisí na mechanismu rozptylu tepla do okolního (chladicího) prostředí a na druhu chladicího media.

23 Vzduchové chlazení zduch je přirozeným izolujícím prostředím, do erého může být rozptylován ztrátový výkon. Nejčastěji se používají se chladiče profilové ři vzduchovém chlazení dochází k přestupu tepla dvěma základními mechanismy - radiací a konvekcí. adiace: rad 4 s a 5,76 ε s ε a S h rad S rad ( s a ) Konvekce h k A k v ν 3/ 4

24 řirozené chlazení roudění chladicího vzduchu je způsobeno ohřevem vzduchu tělesem chladiče Uplatňuje se rovněž radiace Chlazení nuceným prouděním vzduchu Na odvodu tepla se v převážné míře podílí konvekce, odvod tepla radiací lze zanedbat Nejdůležitější je závislost thsa na rychlosti proudění vzduchu. ro návrh vzduchotechniky je důležitá závislost tlakové ztráty p s na rychlosti proudění chladicího vzduchu.

25 omocí vzduchových chladičů je možno dosáhnout při oboustranném chlazení sa 0,04 C/W Velikost rozptýleného ztrátového je způsobena především konečnou tepelnou vodivostí materiálu chladiče epelné trubice řenos tepla je realizován párou, která proudí s minimálním teplotním spádem k části trubice, opatřené chladicími žebry. Kapalina se vrací zpět ke zdroji tepla (výparníku)

26 Kapalinové chlazení

27 EELNÝ ODO SYKU thcs Na stykové ploše bývají mikronerovnosti, které se částečně vyrovnají deformací při působení vnější síly. Ke zlepšení tepelného kontaktu se používají kontaktní pasty, silikonové vazelíny s příměsí jemných částic kysličníků kovů (např. ZnO), nebo koloidního Ag, které zvyšují tepelnou vodivost stykového media.

28 Eliminace tepelného odporu styku integrace kapalinového chladiče přímo do pouzdra