Làm thế nào để tính toán bộ tản nhiệt cho một bóng bán dẫn

Thông thường, khi thiết kế một thiết bị mạnh mẽ trên các bóng bán dẫn điện, hoặc sử dụng một bộ chỉnh lưu mạnh trong mạch, chúng ta phải đối mặt với một tình huống khi cần phải tiêu tan rất nhiều nhiệt điện, được đo bằng đơn vị, và đôi khi là hàng chục watt.

Ví dụ, bóng bán dẫn FGB25N120ANTD IGBT của Fairchild, nếu được lắp đặt chính xác, về mặt lý thuyết có khả năng cung cấp khoảng 300 watt năng lượng nhiệt thông qua khung của nó ở nhiệt độ khung gầm 25 ° C! Và nếu nhiệt độ của vỏ của nó là 100 ° C, thì bóng bán dẫn sẽ có thể cung cấp 120 watt, điều này cũng khá nhiều. Nhưng để nguyên lý trường hợp bóng bán dẫn có thể cung cấp nhiệt này, cần phải cung cấp cho nó các điều kiện làm việc phù hợp để nó không bị cháy trước thời hạn.

Tất cả các công tắc nguồn được cấp trong các trường hợp như vậy có thể dễ dàng lắp đặt trên tản nhiệt bên ngoài - bộ tản nhiệt. Hơn nữa, trong hầu hết các trường hợp, bề mặt kim loại của chìa khóa hoặc thiết bị khác trong vỏ đầu ra được kết nối điện với một trong các thiết bị đầu cuối của thiết bị này, ví dụ, với bộ thu hoặc cống của bóng bán dẫn.

Vì vậy, nhiệm vụ của bộ tản nhiệt là chính xác để giữ bóng bán dẫn, và chủ yếu là quá trình chuyển đổi hoạt động của nó, ở nhiệt độ không vượt quá mức tối đa cho phép.

Nếu trường hợp bóng bán dẫn silicon hoàn toàn bằng kim loại, sau đó nhiệt độ tối đa điển hình là khoảng 200 ° C, nếu vỏ bằng nhựa thì 150 ° C. Bạn có thể dễ dàng tìm thấy dữ liệu về nhiệt độ tối đa cho một bóng bán dẫn cụ thể trong biểu dữ liệu. Ví dụ, đối với FGA25N120ANTD sẽ tốt hơn nếu nhiệt độ của nó không vượt quá 125 ° C.

Biết tất cả các thông số nhiệt cơ bản, thật dễ dàng để chọn một bộ tản nhiệt phù hợp. Nó đủ để tìm ra nhiệt độ tối đa của môi trường mà bóng bán dẫn sẽ hoạt động, công suất mà bóng bán dẫn sẽ phải tiêu tan, sau đó tính toán nhiệt độ chuyển tiếp của bóng bán dẫn có tính đến các điện trở nhiệt của vỏ pha lê, crocus-tản nhiệt, kết nối môi trường tản nhiệt, sau đó nó vẫn chọn , với nhiệt độ của bóng bán dẫn sẽ thấp hơn ít nhất một chút so với mức tối đa cho phép.

Thông số quan trọng nhất trong việc lựa chọn và tính toán bộ tản nhiệt là điện trở nhiệt. Nó bằng tỷ lệ chênh lệch nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc nhiệt tính theo độ so với công suất truyền.

Khi nhiệt được truyền qua quá trình dẫn nhiệt, điện trở nhiệt không đổi, không phụ thuộc vào nhiệt độ, mà chỉ phụ thuộc vào chất lượng tiếp xúc nhiệt.

Nếu có một số chuyển tiếp (tiếp xúc nhiệt), thì điện trở nhiệt của quá trình chuyển đổi, bao gồm một số hợp chất liên tiếp, sẽ bằng tổng điện trở nhiệt của các hợp chất này.

Vì vậy, nếu bóng bán dẫn được gắn trên bộ tản nhiệt, thì tổng điện trở nhiệt trong quá trình truyền nhiệt sẽ bằng tổng điện trở nhiệt: vỏ pha lê, vỏ tản nhiệt, môi trường tản nhiệt. Theo đó, nhiệt độ tinh thể trong trường hợp này theo công thức:

Ví dụ, hãy xem xét trường hợp khi chúng ta cần chọn một bộ tản nhiệt cho hai bóng bán dẫn FGA25N120ANTD, sẽ hoạt động trong một mạch chuyển đổi kéo đẩy, với mỗi bóng bán dẫn tiêu thụ 15 watt năng lượng nhiệt, phải được truyền vào môi trường, tức là từ tinh thể của bóng bán dẫn thông qua một bộ tản nhiệt - với không khí.

Vì có hai bóng bán dẫn, đầu tiên chúng tôi tìm thấy một bộ tản nhiệt cho một bóng bán dẫn, sau đó chúng tôi chỉ cần một bộ tản nhiệt có diện tích truyền nhiệt gấp đôi, với một nửa khả năng chịu nhiệt (chúng tôi sẽ sử dụng các miếng đệm cách điện).

Để thiết bị của chúng tôi hoạt động ở nhiệt độ môi trường 45 ° C. Để nhiệt độ tinh thể được giữ không cao hơn 125 ° C. Trong biểu dữ liệu, chúng ta thấy rằng đối với diode tích hợp, điện trở nhiệt của vỏ tinh thể lớn hơn điện trở nhiệt của vỏ tinh thể IGBT trực tiếp và nó bằng 2 ° C / W. Giá trị này sẽ được tính đến như điện trở nhiệt của vỏ tinh thể.

Độ bền nhiệt của miếng đệm cách điện silicon là khoảng 0,5 ° C / W - đây sẽ là điện trở nhiệt của bộ tản nhiệt case. Bây giờ, khi biết công suất tiêu tán, nhiệt độ tối đa của tinh thể, nhiệt độ môi trường tối đa, khả năng chịu nhiệt của vỏ tinh thể và khả năng chịu nhiệt của bộ tản nhiệt vỏ, chúng tôi tìm thấy khả năng chịu nhiệt cần thiết của môi trường tản nhiệt.

Vì vậy, chúng ta cần chọn một bộ tản nhiệt sao cho độ bền nhiệt của môi trường bộ tản nhiệt đạt được trong các điều kiện nhất định là 2.833 ° C / W hoặc ít hơn. Và đến nhiệt độ nào trong trường hợp này thì bộ tản nhiệt quá nóng so với môi trường?

Lấy điện trở nhiệt tìm thấy ở ranh giới môi trường tản nhiệt và nhân với công suất tiêu tán, ví dụ 15 watt của chúng tôi. Quá nóng sẽ vào khoảng 43 ° C, tức là nhiệt độ của bộ tản nhiệt sẽ vào khoảng 88 ° C. Vì sẽ có hai bóng bán dẫn trong mạch của chúng tôi, nên sẽ cần phải tiêu tán năng lượng gấp đôi, điều đó có nghĩa là bạn cần một bộ tản nhiệt có điện trở nhiệt nhỏ hơn một nửa, tức là 1,4 ° C / W hoặc ít hơn.

Nếu bạn không có cơ hội chọn bộ tản nhiệt có điện trở nhiệt được tìm thấy, thì bạn có thể sử dụng phương pháp thực nghiệm cũ tốt - tham khảo lịch trình từ sách tham khảo. Biết được sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường và bộ tản nhiệt (ví dụ 43 ° C của chúng tôi), biết công suất tiêu tán (ví dụ của chúng tôi, cho hai bóng bán dẫn - hai trong số 15 W mỗi cái), chúng tôi tìm thấy khu vực tản nhiệt cần thiết, nghĩa là tổng diện tích tiếp xúc của bộ tản nhiệt với không khí xung quanh một ví dụ - hai trong số 400 cm2).

Xem thêm về chủ đề này:Inch * độ / watt - thông số tản nhiệt này là gì?