4.3.6 Охлаждение силовых электронных ключей

Отвод тепла осуществляется в общем случае тремя путями: теплопередачей, конвекцией и излучением. В схеме замещения на рис. 4.3.7 тепловые сопротивления и соответствуют процессам теплопередачи от кристалла к корпусу прибора () и от него к охладителю (). Сопротивление определяется конструкцией прибора и не может изменяться в целях повышения эффективности охлаждения.

Сопротивление определяется тепловым контактом между корпусом прибора и охладителем. Обычно корпус силового прибора (или его часть), как и охладитель, выполнены из металла, являющегося хорошим проводником тепла. Поэтому тепловой контакт между ними будет в значительной мере определяться плотностью соприкосновения этих металлов. Хороший тепловой контакт, прежде всего, обеспечива­ется устранением шероховатости контактируемых поверхностей и увеличением прижимного усилия. Обработка поверхностей специальными смазками с высокой теплопроводностью, например пастой КПТ-8, значительно улучшает тепловой контакт.

Проблема обеспечения низкого теплового сопротивления часто осложняется необходимостью одновременного создания хорошей электроизоляции между корпусом прибора и охладителем. С этой целью используются специальные материалы, обладающие как хорошей теплопроводностью, так и высокими электроизоляционными свойствами – оксид алюминия, оксид бериллия и др.

Охладители могут иметь различное конструктивное исполнение, зависящее от многих факторов и, в первую очередь, от способа отвода от них тепла.

Наиболее распространенным способом охлаждения является естественное воздушное охлаждение – конвекция. Охладители в этом случае должны обладать площадью, с поверхности которой передается тепло в окружающую среду потоком воздуха, который возникает под воздействием разности плотностей холодного и теплого (у поверхности охладителя) воздуха. Одновременно здесь имеет место теплопередача путем теплового излучения. Для повышения эффективности излучения охладители обычно подвергаются химическому «чернению».

Покраска поверхности радиатора в чёрный цвет приводит только к ухудшению теплопередачи на границе «охладитель – окружающая среда» и повышению температуры прибора.

Значения коэффициентов теплопроводности различных материалов, используемых при монтаже электронных ключей на радиаторы, приводятся в таблице 4.1.

Табл. 4.1.

Для увеличения общей площади теплоотдачи используются охлади­тели специальных конструкций, например, ребристые радиаторы (рис. 4.3.9.). В качестве материалов для изготовления охладителей используются алюминий и его сплавы, отличающиеся высокой теплопроводностью.

Рис. 4.3.9. Ребристая конструкция охладителя:  – общая длина;  –толщина основания

Охладители в виде металлических пластин в сочетании с теплопроводящей и одновременно электроизолирующей прокладкой широко используются как в конструкциях отдельных полупроводниковых элементов, так и силовых IGBT-модулях.

Для повышения теплоотдачи иногда бывает более рациональным применение принудительного воздушного охлаждения. Для усиления скорости конвекции применяют вентиляторы, которые обеспечивают вывод нагретых слоев воздуха из конструкции аппарата в окружающую среду. В результате появляется возможность значительного улучшения массогабаритных показателей силового электронного устройства в целом.

В силовых электронных устройствах с высокими потерями мощности в полупроводниковых приборах, например в диодах, тиристорах, IGBT-модулях, при прямых токах свыше 1000 А принудительное воздушное охлаждение может оказаться неэффективным. В таких случаях применяется жидкостное охлаждение. Этот вид охлаждения более эффективен по сравнению с воздушным, так как жидкости имеют большую теплоёмкость и лучшую теплопроводность, чем воздух. В качестве жидкостей обычно используется вода или масло.

Наиболее эффективным способом охлаждения является использование теплоты испарения жидкости. Такой способ называется испарительным охлаждением. На рис. 4.3.10 показана упрощенная конструкция теплового испарительного радиатора.

Рис. 4.3.10. Конструкция теплового испарительного радиатора: 1 – внешняя жёсткая оболочка; 2 – пористое покрытие

Внутренние стенки герметически закрытого металлического радиатора покрыты пористым материалом, который пропитан жидкостью. В трубке пониженное давление, способствующее испарению жидкости. От полупроводникового прибора к наружной части радиатора подводится тепло, под воздействием которого происходит испарение жидкости в зоне А. Затем пар поступает в зону В, где охлаждается, что соответствует адиабатическому процессу, и поступает в зону С. Тепло, выделяемое при конденсации, отводится в окружающую среду. Сконденсировавшаяся жидкость осаждается на пористом покрытии радиатора и далее перемещается в испарительную зону А.

Описанный процесс протекает непрерывно с минимальной разницей температур между зонами А и С. Тепловой испарительный радиатор способен передать в пятьсот раз больше тепла, чем металлический проводник того же сечения.