Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach

Europejskiego Funduszu Społecznego

T. Tarczewski

2

NAGRZEWANIE SIĘ PRZYRZĄDÓW 

NAGRZEWANIE SIĘ PRZYRZĄDÓW 

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH ORAZ METODY

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH ORAZ METODY

ICH CHŁODZENIA

ICH CHŁODZENIA

✔

cechy użytkowe półprzewodnikowych łączników energoelektronicznych silnie 

zależą od temperatury struktury półprzewodnikowej

✔

przekroczenie granicznej wartości temperatury złącza skutkuje wadliwym 

działaniem łącznika lub jego uszkodzeniem

✔

wartości maksymalnych temperatur złącz łączników:

✔

diody: 170÷190ºC

✔

tranzystory (MOS i IGBT): 140÷170ºC

✔

tyrystory (SCR, GTO): 125ºC

✔

tranzystory GaN (azotek-galu): 300ºC

Podstawowe informacje

www.semikron.com

T. Tarczewski

3

NAGRZEWANIE SIĘ PRZYRZĄDÓW 

NAGRZEWANIE SIĘ PRZYRZĄDÓW 

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH ORAZ METODY

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH ORAZ METODY

ICH CHŁODZENIA

ICH CHŁODZENIA

✔

straty mocy w postaci energii cieplnej są odprowadzane ze złącza 

półprzewodnikowego poprzez metalowe podłoże obudowy przyrządu

✔

odprowadzanie energii cieplnej do otoczenia następuje przy użyciu 

radiatora

✔

przebieg temperatury złącza w czasie dla określonych warunków pracy 

zależy od:

✔

strat mocy

✔

efektywności odprowadzania ciepła

Odprowadzanie energii cieplnej

T. Tarczewski

4

NAGRZEWANIE SIĘ PRZYRZĄDÓW 

NAGRZEWANIE SIĘ PRZYRZĄDÓW 

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Modele cieplne

NAGRZEWANIE SIĘ PRZYRZĄDÓW 

NAGRZEWANIE SIĘ PRZYRZĄDÓW 

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

T. Tarczewski

5

Przyrost temperatury struktury półprzewodnikowej

Δ

T

j

=

P

str

(

R

thj−c

+

R

thc−r

+

R

thr −a

)

P

str

 [W]

– ustalona wartość strat mocy wydzielanych w złączu

R

thj-c

 [ºC/W] – rezystancja cieplna między złączem i obudową

R

thc-r

 [ºC/W] – rezystancja cieplna między obudową i radiatorem

R

thr-a

 [ºC/W] – rezystancja cieplna między radiatorem i czynnikiem chłodzącym

Warunek poprawnej pracy złącza

T

j

=

T

a

+Δ

T

j

<

T

j max

T

j

– ustalona temperatura złącza

T

a

– temperatura czynnika chłodzącego

T

j max

– wartość maksymalna temperatury złącza

NAGRZEWANIE SIĘ PRZYRZĄDÓW 

NAGRZEWANIE SIĘ PRZYRZĄDÓW 

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

T. Tarczewski

6

Przebiegi 

strat mocy

 i 

temperatury złącza

przy różnych rodzajach obciążenia

obciążenie ciągłe

obciążenie ciągłe

z impulsem

przeciążenia

obciążenie

impulsowe ciągłe

NAGRZEWANIE SIĘ PRZYRZĄDÓW 

NAGRZEWANIE SIĘ PRZYRZĄDÓW 

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

T. Tarczewski

7

Schemat modelu cieplnego dla stanów przejściowych

NAGRZEWANIE SIĘ PRZYRZĄDÓW 

NAGRZEWANIE SIĘ PRZYRZĄDÓW 

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

T. Tarczewski

8

Przejściowa impedancja cieplna

Z

th(tx )

=

Δ

T

j (tx)

P

str M

NAGRZEWANIE SIĘ PRZYRZĄDÓW 

NAGRZEWANIE SIĘ PRZYRZĄDÓW 

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

T. Tarczewski

9

CHŁODZENIE PRZYRZĄDÓW 

CHŁODZENIE PRZYRZĄDÓW 

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

✔

doboru radiatora oraz sprawdzenia warunków chłodzenia ze względu na 

maksymalną temperaturę złącza dokonuje się na podstawie obliczeń 

cieplnych uwzględniając:

✔

wartość rezystancji cieplnej elementu półprzewodnikowego

✔

charakterystykę impedancji cieplnej elementu półprzewodnikowego

✔

rodzaje chłodzenia:

✔

powietrzne

✔

cieczowe

✔

dwustanowe

Podstawowe informacje

T. Tarczewski

10

CHŁODZENIE POWIETRZNE

CHŁODZENIE POWIETRZNE

✔

radiator – kształtownik wykonany z walcowanych szyn aluminiowych o 

rozwiniętym profilu przekroju poprzecznego

✔

metody odprowadzania ciepła:

✔

konwekcja naturalna 

✔

konwekcja wymuszona

Podstawowe informacje

ilustracje pochodzą z katalogu firmy Semikron

T. Tarczewski

11

CHŁODZENIE CIECZOWE

CHŁODZENIE CIECZOWE

✔

duże moce przekształtnika przy ograniczonych wymiarach

✔

radiatory wyposażone w doprowadzenie i odprowadzenie cieczy

✔

ciecz chłodząca – woda

✔

zamknięty, wymuszony obieg cieczy chłodzącej

✔

chłodnica powietrzna lub wymiennik ciepła

Podstawowe informacje

ilustracje pochodzą z: P. Beckedahl, “Advanced Power Module Packaging for increased Operation Temperature and Power Density”, 
EPE-PEMC 2012 ECCE Europe, Novi Sad, Serbia

T. Tarczewski

12

CHŁODZENIE DWUSTANOWE

CHŁODZENIE DWUSTANOWE

✔

duże moce przekształtnika przy ograniczonych wymiarach 

✔

wykorzystanie zjawisk fizycznych powstających w tzw. 

rurze cieplnej

✔

ciecz chłodząca – woda

Podstawowe informacje