2.3. ОСНОВНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ И ТИРИСТОРОВ

В гл. 1 отмечено, что многие физические параметры силовых диодов и тиристоров зависят от температуры перехода полупроводниковой структуры (далее просто температуры структуры) Ту Поэтому для всех типов приборов одним из важнейших параметров является максимально допустимая температура структуры . Для диодов типичным значением следует считать 150—190° С, для тиристоров 125—140° С. Более низкое значение для тиристоров по сравнению с диодами обычно связано с упоминавшейся в гл. 1 сильной температурной зависимостью напряжения переключения тиристоров. Следует иметь в виду, что значение относится к длительному режиму работы прибора. При этом под длительным режимом надо понимать такой режим работы, когда в приборе устанавливается тепловое равновесие между рассеиваемой и отводимой им мощностями.

Для тепловых расчетов в установившемся режиме используют понятие теплового сопротивления . Различают тепловые сопротивления переход — корпус и переход — окружающая среда . Тепловое сопротивление переход — корпус в действующей нормативно-технической документации определяют как отношение разности температуры структуры и пературы корпуса прибора в заданной точке к рассеиваемой в приборе мощности потерь при протекании постоянного прямого тока диода или постоянного тока в открытом состоянии тиристора. Мощность потерь в диоде или тиристоре в общем случае может быть определена по известной формуле

где индекс i принимает значение F или Т в зависимости от того, о чем идет речь (о диоде или тиристоре), а через обозначено прямое иадение напряжения в приборе, чтобы еще раз напомнить, что ВАХ СПП в Открытом состоянии (прямом направлении) есть весьма сложная функция тока через прибор. На практике используют линейную или степенную аппроксимации ВАХ (см. гл. 1). В первом случае

во втором

Для в обоих случаях имеем соотношение

где — температура фиксированной точки на корпусе СПП.

Следует обратить внимание на то, что (2.3) есть формальное определение , поскольку значение теплового сопротивления определяется физическими и геометрическими параметрами и конструкцией СПП. Выражение (2.3), переписанное в виде

используют для расчетов температуры структуры в установившихся режимах, где — средняя мощность, рассеиваемая в приборе. Для расчета при линейной аппроксимации ВАХ используют выражение

где Кф — коэффициент формы тока, протекающего через прибор; — среднее значение тока; i — индекс, принимающий значения F или Т в зависимости от того, о диоде или тиристоре идет речь. Если использовать степенную аппроксимацию, то

где — диссипационный ток [1.7].

Таблица 2.1. Соотношение между диссипационным и средним током повторяющегося полусипусоидальиого тока ( - амплитудное значение)

Для тока полусинусоидальной формы соотношение между и для N от 0 до 1 приведено в табл. 2.1 [1.7].

Для правильного применения СПП важно иметь в виду, что температура структуры в течение коротких интервалов времени может превышать максимально допустимую. Это позволяет СПП выдерживать значительные перегрузки по току. Для описания этой способности приборов используют понятия о токе перегрузки и ударном токе СПП. Подробно эти параметры рассмотрены в гл. 4. Здесь лишь обратим внимание на ряд обстоятельств, важных для понимания физических ограничений, связанных с этими параметрами.

Для расчета температуры структуры в режимах, когда тепловое равновесие не достигнуто, используют методы численного решения уравнения теплопроводности [1.6, 2.8] или концепцию переходного теплового сопротивления . При использовании понятия также различают сопротивления - корпус и переход — окружающая среда. Под переходным тепловым сопротивлением переход — корпус понимают зависимость теплового сопротивления переход — корпус от времени (длительности импульса мощности потерь, рассеиваемой в приборе и вызывающей повышение температуры перехода), т. е. если в приборе рассеивается постоянная мощность и температура структуры растет по закону , то

С помощью понятия о и принципа суперпозиции температура структуры при произвольном импульсе мощности дается так называемым интегралом Дюамеля:

где .

Выражение (2.7) имеет и другие, эквивалентные формы [1.2, 2.9]. Величину аппроксимируют либо набором экспонент с различными тепловыми постоянными [2.8]

либо степенной функцией [2.9]

Следует иметь в виду, что в информационных материалах функцию приводят в графическом виде и ее далеко не всегда можно описать выражением (2.9) во всем диапазоне своего существования. В работе [2.11] приведены значения Н и М для многих типов отечественных СПП, а также диапазон применимости аппроксимации (2.9). Обычно значение М лежит в диапазоне .

Подчеркнем, что если во время неустановившегося теплового процесса, то отказ прибора может либо произойти, либо нет. Это будет зависеть от того, какие воздействия и через какое время после достижения данной прикладываются к прибору. Абсолютно критической температурой является только температура плавления кремния 1412° С). Если достигает значения даже при микросекундном импульсе мощности, происходит расплавление кремния и прибор выходит из строя. Если достигает температуры 400—600° С, то начинается процесс шнурования прямого, тока (резкое уменьшение сопротивления в нагретой зоне и стягивание тока в шнур). Этот процесс приводит к последующему нагреву до и необратимому отказу, если импульс мощности имеет достаточную длительность (большую нескольких десятков микросекунд). Если достигает температуры 200—300° С и в этот момент к прибору прикладывают обратное напряжение, то возникает процесс шнурования обратного тока, который при достаточной длительности тоже приводит к необратимому проплавлению структуры. Наконец, если к прибору, нагретому до температуры 150—170° С, прикладывают прямое напряжение, то он может включиться (из-за снижения напряжения переключения, из-за температурной зависимости времени выключения или из-за эффекта ), при этом необратимое повреждение тиристора может произойти или нет в симости от того, насколько ограничен и ограничен ли ток через прибор при таком включении. Разнообразие возможных вариантов усугубляется тем обстоятельством, что область локального перегрева, к которой относится значение , может не совпадать с областью приложения последующего воздействия, где температура может быть существенно ниже. Ряд конкретных случаев анализа отмеченных здесь обстоятельств разобран подробно в гл. 4. Следует иметь в виду, что прибор можно считать равномерно прогретым при длительности греющего импульса, большей, чем тепловая постоянная пластины кремния , и, напротив, если длительность импульса меньше , то прибор нагрет заведомо неравномерно.

Рис. 2.7. Зависимость тепловой постоянной пластины кремния от ее толщины d и напряжения пробоя

Для оценки величины можно использовать, следуя работе [2.9], соотношение

где -толщина кремниевой пластины; — плотность, теплоемкость и теплопроводность кремния.

Подставляя числовые значения физических констант при 25° С: г/см3, получаем .

где .

Поскольку речь идет лишь об оценке, то с той же степенью точности коэффициент в (2.11) можно положить равным 1, и тогда

Использовав (2.12) и рис. 8 работы [2.5], мы построили рис. 2.7. Пользуясь этим рисунком, можно, даже и не зная толщины данного прибора, грубо оценить его тепловую постоянную.

Максимально допустимая температура структуры и тепловое сопротивление определяют нагрузочную способность СПП по току.

Эта способность описывается рядом параметров: максимально допустимым средним током (среднее значение) заданной формы при заданной температуре корпуса; максимально допустимым прямым током (среднее значение) заданной формы при заданной температуре охлаждающей среды и заданных охладителе и интенсивности охлаждения; максимально допустимой амплитудой тока рабочей перегрузки и его длительностью при заданной форме тока, предварительной загрузке прибора рабочим током и заданных охладителе, температуре охлаждающей среды и интенсивности охлаждения; максимально допустимой амплитудой тока аварийной перегрузки и его длительностью при заданной форме тока и известной температуре перехода полупроводниковой структуры. Подробно эти вопросы рассмотрены в гл. 4.