PODMÍNKY SPOLEHLIVÉHO PROVOZU VÝKONOVÝCH POLOVODIČOVÝCH SOUČÁSTEK Pro 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
CHLAZENÍ VÝKONOVÝCH POLOVODIČOVÝCH SOUČÁSTEK Při provozu polovodičových součástek vzniká ztrátový výkon , který má za následek zvýšení teploty • •
rostoucí teplotou je nepříznivě ovlivňována řada parametrů součástek možnost tepelného průrazu
Pracovní rozsah teplot křemíkové součástky je omezen dvěma teplotami •
nejnižší přípustná teplota Tjmin
•
nejvyšší přípustná teplota Tjmax
Pro udržení provozních teplot ve stanoveném teplotním intervalu je nezbytné chlazení součástek, tj. odvádění vznikajícího ztrátového výkonu z objemu součástky a rozptylování do okolního prostředí
TEPELNÝ ODPOR A PŘECHODNÁ TEPELNÁ IMPEDANCE . Při řešení problematiky budeme uvažovat odvod tepla generovaného v součástce do chladiče a odtud do okolního prostředí Tok tepelné energie za jednotku času dq/dt = Pth tyčí o průřezu S a tepelnou vodivostí λ můžeme v jednorozměrném případě vyjádřit dT v ustáleném stavu vztahem
Pth = λS
dx
V případě tyče o konstantním průřezu S a délce l lze vyjádřit
Pth = λS
dT ∆T ∆ T = λS = dx l Rth
Rth je tepelný odpor
Na styku dvou různých materiálů dochází k přestupu tepla. Na rozhraní vzniká rozdíl teplot ∆T a hustotu tepelného toku rozhraním o ploše S je možno vyjádřit P th
S
= h∆T
h je koeficient přestupu tepla
Pokud zároveň dochází k ohřevu tělesa s měrným teplem materiálu c o objemu V a hustotě ρm, Proces ohřevu tělesa je podobný nabíjení kondenzátoru a zavádí se tepelná kapacita Cth
P = ρ m cV
Přechodový proces odvodu tepla tělesem při jeho současném ohřevu můžeme modelovat jako nabíjení tepelné kapacity Cth přes odpor Rth
dT dT = C th dt dt
Rth Cth
Pth
Teplo vzniká v křemíkové destičce a je rozptylováno chladičem do okolí chladiče o teplotě Ta. Vzniká-li v součástce ztrátový výkon Pz, je možno teplotu křemíkové destičky Tj vyjádřit vztahem
Tj = Pz Z th ja + Ta ≤ Tj max
Zth ja(t) je přechodná (tranzientní) tepelná impedance, která s časem roste
lim Z th ja (t ) = Rth t →∞
Pomocí tepelné analogie můžeme řešit komplexní systém výkonové polovodičové součástky s chladičem jako obvod, složený z dílčích tepelných odporů a tepelných kapacit Tj
TC
Ts
Ta Pz Tj Tc Ts Ta
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
V ustáleném stavu
Pz =
Tj − Ta Rth ja
Rth ja = Rth jc + Rth cs + Rth sa =
Pz = T j − Ta Pz
Tj − Ta Rth ja
=
T j − Tc Rthjc
=
Tc − Ts Ts − Ta = Rthcs Rthja
Je-li Rthja tepelný odpor definované kombinace pouzdra, chladiče a chladicího media (např. definované rychlosti proudícího vzduchu), potom maximální přípustný ztrátový výkon v ustáleném stavu soustavy
Pzmax =
T j max − Ta Rth ja
=
T j max − Tc Rth jc
S velikostí Pmax je spojena proudová zatížitelnost součástky Pokud součástka pracuje po dobu kratší, než je třeba k ustálení teplotních poměrů v teplotním obvodu, změnu teploty je třeba popsat pomocí přechodné tepelné impedance Zth(t)
Z th ja ( t ) =
Tj ( t ) − Ta Pz
Z th jc (t ) =
Z th sa (t ) =
Tj (t ) − Tc Pz
Ts (t ) − Ta Pz
V případě obdélníkového impulsu ztrátového výkonu o délce tp Pmax =
T j max − Ta Z th ja (t p )
PROUDOVÁ ZATÍŽITELNOST VÝKONOVÝCH POLOVODIČOVÝCH SOUČÁSTEK
Pokud součástka pracuje v ustáleném režimu s opakovací frekvencí f > 25 Hz, střední hodnota ztrátového výkonu na součástce
PAV ≤
Tj max − Ta Rth ja
=
Tj max − Tc Rth jc
= PAV max
Střední hodnota ztrátového výkonu na součástce závisí na průběhu proudu a napětí V případě bipolárního tranzistoru je při opakovací frekvenci f 1/ f
PAV = f
∫ [U 0
CE
(t ) I C (t ) + U BE (t ) I B (t )]dt ≤ PAV max
Budeme-li uvažovat funkci tranzistoru ve spínacím režimu (obdélníkové průběhy proudu a napětí) Tranzistor v sepnutém stavu po část periody (dobu tp= ψ/f , 0<ψ<1), Při zanedbání ztrát ve vypnutém stavu
PAV
t on t p + t on + t off = f ∫ U CE I C (t )dt + ( I CM U CEon + U BE I B )t p + ∫ U CE (t )I C (t )dt t p + t on 0
PAV = f (Won + (U CEon I CM + U BE I B )t p + Woff ) = (Won + Woff ) f +ψ (U CEon I CM + U BE
Pro maximální proud ICMmax musí platit
I CM −T T ) ≤ j max a h21E Rth ja
I CM max
1 ≤ * ψU CE
T j max − Ta − f (Won + Woff Rthja
)
V případě diody, tyristoru a IGBT je možno V-A charakteristiku v sepnutém stavu aproximovat přímkou Pro IGBT
U CE = U TO + rT I CE
Maximální přípustná hodnota středního proudu je pak dána vztahem
ψ U 2
I AV max =
Proudová zatížitelnost součástky závisí na parametrech součástky (UTO, rT , a Tjmax), na pracovním režimu (ψ, Won, Woff ), podmínkách chlazení (Ta, Rthja) a na pracovní frekvenci f
2 T0
T j max − Ta + 4rTψ − f (Won + Woff R thja 2rT
)
−
ψU T 0 2rT
Proudová zatížitelnost součástky je výrobcem indikována typovým proudem součástky Typový proud součástky je obvykle udáván pro nízké frekvence, kdy je možno zanedbat vliv zapínacích a vypínacích ztrát
ψ 2U T20 + 4rTψ I AV max =
2rT
T j max − Ta Rthja
−
ψU T 0 2rT
ψ 2U T20 + 4rTψ =
2rT
T j max − Tc Rthjc
−
ψU T 0 2rT
Protože typ použitého chladiče a teplota okolí závisí na konkrétní aplikaci, typový proud bývá spojen s teplotou pouzdra Tc (obvykle 80°C) U diod a tyristorů bývá typový proud často odvozován od střední hodnoty proudu při půlsinusových proudových impulsech Pouzdra a chladiče ovlivňují proudovou zatížitelnost součástek v obvodech
POUZDRA VÝKONOVÝCH POLOVODIČOVÝCH SOUČÁSTEK 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 Pouzdro 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 indukčnosti a kapacity
•
hermetičnost a dlouhodobou tepelnou odolnost,
DISKRÉTNÍ SOUČÁSTKY Diskrétní součástky menších výkonů -
pouzdra s jednostranným odvodem ztrátového tepla
Tepelná roztažnost křemíku je podstatně menší, než roztažnost vodivých materiálů. Přímé 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 mm2 Ostatní kontakty buď pájené, nebo realizované Al drátky spojenými tlakem s Al metalizací
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
Rth jc =
Rth jaK Rth jaA
Rth jaK + Rth jaA
Pro součástky s průměrem Si nad 75 mm pouze bez pájených spojů
MODULY Ztrátové teplo vznikající v polovodičové struktuře je odváděno do chladiče vrstvou dobře tepelně vodivého elektricky izolujícího materiálu Korundová keramika (Al2O3) Nitridová keramika (AlN)
MODULY Ztrátové teplo vznikající v polovodičové struktuře je odváděno do chladiče vrstvou dobře tepelně vodivého elektricky izolujícího materiálu Korundová keramika (Al2O3) Nitridová keramika (AlN) keramická deska oboustranně plátovaná měděnou fólií o tloušťce cca 300 µm (technologie Direct Copper Bonding – DCB)
U modulů 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. Al2O3 keramika použitelná pro napětí do 2,5 kV Pro vyšší napětí je třeba keramika s vyšší tepelnou vodivostí - AlN
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 cm2.
Součinitel tepelné roztažnosti α/10-6 K-1
Tepelná vodivost λ/Wm-1K-1
Objemová Tepelná kapacita cV /106 Jm-3K-1
Křemík (Si)
2.6
145
1.75
10-6 - 102
měď (Cu)
17.3
382
3.42
1.72 × 10-8
Al/SiC Metal matrix composite (70%/30%)
6.8
180
2.37
1 x 10-8
korundová keramika (Al2O3)
7.0
25
3.31
1012
aluminium nitrid (AlN)
3.9
180
3.02
109
Materiál
Rezistivita ρ/Ωm
CHLADIČE VÝKONOVÝCH POLOVODIČOVÝCH SOUČÁSTEK Tepelný odpor chladiče, Rthsa,. zabezpečuje přestup tepla z tělesa chladiče do okolního prostředí.
T −T Pz = s a = hS (Ts − Ta ) Rthsa
Rthsa
1 = Sh
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 Sef < S.
Rthsa =
1 S ef h
=
1 Shη
η = Sef/S je tzv. účinnost tělesa chladiče
Pro dosažení maximální efektivní plochy chladiče Sef (při minimálním objemu zastavěného chladičem a minimální hmotnosti chladiče) se používají různě profilované chladiče, umožňující efektivní rozptýlení tepla do okolí.
Rthsa =
1 S ef h
=
1 Shη
Velikost součinitele přestupu tepla h závisí na mechanismu rozptylu tepla do okolního (chladicího) prostředí a na druhu chladicího media.
Vzduchové chlazení Vzduch je přirozeným izolujícím prostředím, do kterého může být rozptylován ztrátový výkon. Nejčastěji se používají se chladiče profilové Při vzduchovém chlazení dochází k přestupu tepla dvěma základními mechanismy - radiací a konvekcí.
Radiace:
Konvekce
Prad
4 Ts 4 Ta = 5,76ε s −εa S 100 100
v hk = Ak ν
3/ 4
hrad =
Prad S (Ts − Ta )
Přirozené chlazení Proudění 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 Rthsa na rychlosti proudění vzduchu. Pro návrh vzduchotechniky je důležitá závislost tlakové ztráty ∆ps na rychlosti proudění chladicího vzduchu.
Pomocí vzduchových chladičů je možno dosáhnout při oboustranném chlazení Rsa ≈ 0,04 °C/W Velikost rozptýleného ztrátového je způsobena především konečnou tepelnou vodivostí materiálu chladiče Tepelné trubice Přenos tepla je realizován párou, která proudí s minimálním teplotním spádem k části trubice, opatřené chladicími žebry. Kapalina se vrací zpět ke zdroji tepla (výparníku)
Kapalinové chlazení
TEPELNÝ ODPOR STYKU Rthcs 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.
Eliminace tepelného odporu styku – integrace kapalinového chladiče přímo do pouzdra
