МИНИСТЕСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Тольяттинский государственный университет
Кафедра "Промышленная электроника"
ЧЕРНЯВСКИЙ Н.И.
ТИРИСТОРНЫЙ КЛЮЧ
Методическое пособие по выполнению курсовой работы
по дисциплине "Твердотельная электроника"
Тольятти 2007
УДК 621.38(076.5)
ББК Ч 554
Чернявский, Н.И. Тиристорный ключ: Методическое пособие по выполнению курсовой работы/ Чернявский Н.И. – Тольятти: ТГУ, 2007. – 23 с.
Приведены теоретические сведения и даны методические рекомендации по расчету тепловых параметров полупроводниковых приборов, температуры переходов при различных режимах их тепловой нагрузки. Содержатся рекомендации по выбору числа параллельно и последовательно соединенных приборов.
Содержится задание на курсовую работу и варианты численных значений исходных данных для расчета.
Для студентов специальности 200400 “Промышленная электроника”.
Ил.13. Табл.2. Библиогр.:4 наимен.
Утверждено Методическим советом кафедры «Промышленная электроника» Тольяттинского государственного университета.
УДК 621.38(076.5)
ББК Ч 554
Ó Тольяттинский государственный университет, 2007
1. ТЕПЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ И
ТЕМПЕРАТУРА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЫ
Возможности современных электронных полупроводниковых приборов ограничены и по току, и по напряжению, и по мощности. При эксплуатации приборов в условиях превышения допустимых значений тока, напряжения или мощности они выходят из строя. Одна из главных причин выхода электронного прибора из строя - превышение предельно допустимой температуры структуры прибора. Поэтому расчет любых электронных устройств и их эксплуатацию необходимо вести так, чтобы не допустить превышения предельно допустимой температуры внутренней рабочей структуры электронных полупроводниковых приборов.
В структуре полупроводникового прибора может быть один или несколько электрических переходов, в которых в основном и выделяются тепловые потери, возникающие при прохождении через прибор электрического тока. От перехода тепловой поток проходит через ряд слоев различных материалов, из которых изготавливаются разнообразные детали прибора - термокомпенсаторы (вольфрам, молибден), прокладки (серебро, олово), основание (медь), охладитель (медь, алюминий) - и отводится в окружающую среду.
Температура структуры тем выше. чем больше средняя мощность тепловых потерь (греющая мощность). а также чем большее сопротивление оказывают прохождению теплового потока слои материалов от перехода до окружающей среды, т.е. чем выше тепловые сопротивления этих слоев.
Рассматривая путь теплового потока через отдельные в конструктивном отношении элементы, можно говорить о тепловых сопротивлениях следующих участков:
1) переход - корпус прибора – 
;
2) корпус прибора - контактная поверхность охладителя – 
;
3) контактная поверхность охладителя - окружающая среда – 
;
4) переход - окружающая среда – 
.
Значение теплового сопротивления определяется величиной перепада температур на концах участка, отнесенного к величине греющей мощности PAV, вызвавшей этот перепад. Например, тепловое сопротивление переход - корпус прибора
= 
,
где Тj - температура перехода; Тc - температура корпуса прибора;
Тjc - перепад температур между переходом и корпусом прибора.
Для других участков можно записать аналогичные выражения:
, 
,
,
где Тh - температура контактной поверхности охладителя;
Тa - температура окружающей среды;
Тch - перепад температур между корпусом и контактной поверхностью охладителя;
Тha - перепад температур между контактной поверхностью охладителя и окружающей средой;
Тja - перепад температур между переходом и окружающей средой.
Приведенные выражения относятся к установившемуся тепловому режиму. В переходных режимах величина перепада температур не остается постоянной, а изменяется во времени. Следовательно, изменяется и величина теплового сопротивления. Такое сопротивление, зависящее от времени t действия импульса тепловой мощности, называется переходным тепловым сопротивлением, которое обозначается Z(th)t.
Зависимости Z(th)tjc = f(t) и Z(th)tja = f(t) приводятся в справочных данных прибора в виде семейства графиков, соответствующих разным условиям охлаждения. Зависимости Z(th)tja = f(t) приводятся для конкретного типа охладителя.
В установившемся тепловом режиме, когда время t действия тепловой мощности PTAV много больше постоянных времени тепловых процессов в электронных приборах, Z(th)t =Rth, а 
PM.
Зная величину Z(th)tja для конкретных временных интервалов времени t, можно при известном значении мощности 
рассчитать температуру перехода Tj в момент t следующим образом:
Tj = Ta + Z(th)tja = Ta + PMZ(th)tja.
Чаще всего при работе электронных устройств мощность в приборе выделяется по сложным временным зависимостям. Поэтому для расчета температуры необходимо произвести операцию замены реального импульса мощности сложной формы эквивалентным ему импульсом мощности прямоугольной формы. В этом случае эквивалентные импульсы мощности (рис.1.1а) имеют ту же амплитуду PM, что и реальный импульс (рис.1.1,б), и то же среднее за время tи значение . Их длительность определяется как
tп = Ntи,
где N = 
PM, а tи - длительность реального импульса мощности.
Аналогичное приведение к эквивалентному прямоугольному импульсу мощности можно произвести при загрузке прибора сериями (рис.1.2а) коротких импульсов мощности длительностью tи с амплитудным значением 
. Такая серия импульсов для расчета температуры перехода Tj может быть заменена одним импульсом длительностью Ntи с той же амплитудой.
Расчет температуры перехода производится по известным значениям мощности и теплового сопротивления Z(th)t. При импульсном нагревании прибора метод расчета можно проиллюстрировать следующим образом.
Пусть необходимо рассчитать превышение температуры перехода Tja2 по сравнению с температурой Та окружающей среды в момент времени t2, если в приборе в течение времени t1 выделялась постоянная мощность PM (рис.1.3а).
В промежутке времени от t0 до t1 превышение температуры перехода нарастает до Tja1, а затем на отрезке времени t1 - t2 уменьшается до Tja2. Для расчета величины Tja2 условно увеличивают длительность импульса мощности PM до момента t2, предполагая, что в интервале t1 - t2 рассеивается отрицательная мощность (-PM), абсолютное значение которой то же, что и у реального импульса (рис.1.3,б). В этом случае можно записать выражение для величины Tj2 в момент t2 следующим образом:
t2-t0 t2-t1
Tj2 =Tj2" - Tj2"" = PMZ(th)tja + (-PM)Z(th)tja,
t2-t0 t2-t1
где Z(th)tja и Z(th)tja - значения переходных тепловых сопротивлений переход-среда, соответствующие интервалам времени t2 - t0 и t2 - t1 и определяемые по зависимостям Z(th)tja = f(t) при соответствующем охлаждении.
