Выбор способа охлаждения конструкции ЭС и оценка теплового режима

Качество работы ЭС в значительной мере определяется численными значениями интенсивностей отказов мощных полупроводниковых приборов, смонтированных на радиаторах. Интенсивность отказов λ (t) является показателем безотказности, наиболее полно характеризующим надёжность неремонтируемых изделий.

Интенсивность отказов – это условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник. Её определяют по формуле

, (12.1)

где f (t) - плотность распределения наработки до отказа.

Для основного участка, на котором изделия работают наиболее долго, интенсивность отказов λ не зависит от времени и средняя наработка до отказа Т ₁ равна

Т ₁ = 1 / λ, (12.2)

а формула для расчёта вероятности безотказной работы имеет вид:

(12.3)

Выражение (12.3) называют экспоненциальным законом вероятности безотказной работы. Его наиболее часто используют для расчета этой вероятности.

Интенсивность отказов мощных полупроводниковых приборов сильно увеличивается с ростом температуры р - п - переходов и с увеличением мощности Р, рассеиваемой р - п - переходом. Средние значения λ_JН интенсивно­сти отказов различных радиоэлементов для лабораторных условий в номинальном режиме приведены в литературе [4, 20]и в таблице ПА. 2 приложения А настоящего пособия, а в таблице ПА. 1 даны значения поправочных коэффициентов а ₁ для расчёта интенсивностей отказов радиоэлементов в зависимости от температуры t среды, окружающей элемент, и коэффициента нагрузки

k_н =Р/Р_н . (12.4)

где Р_н мощность, рассеиваемая р - п - переходом заданного полупроводникового прибора в номинальном режиме. Её значение находят из справочников по радиоэлементам [31].

Интенсивность отказов рассчитывают по формуле

λ _J = а ₁ × λ _JН, (12.5)

Из таблицы приложения ПА. 1 находим, например, что у германиевых транзисторов при k_н = 0,8при температуре 20 °С а ₁=0,74, а при температуре 70 °С а ₁ возрастает до 2,35, что согласно формуле (10.5) вызывает рост интенсивности отказов более чем в три раза. Из написанного выше следует, что для определения интенсивности отказов, характеризующей качество работы ЭС, нужна оценка теплового режима полупроводниковых приборов. Особенно важна оценка теплового режима для мощных полупроводниковых приборов, имеющих большие значения величины интенсивно­сти отказов.

Для обеспечения нормального теплового режима полупроводниковых приборов вначале следует произвести выбор способа охлаждения конструкции ЭС. Этот выбор можно выполнить с помощью графиков (рисунок 12.1), характеризующих области целесообразного при­менения различных способов охлаждения. Для удобст­ва пользования графиками необходимо из исход­ных данных технического задания (ТЗ) получить ряд комплексных показателей. Покажем, как использовать данные ТЗ для

Рисунок 12.1 - Области целесообразного применения различных способов охлаждения [26]

 

выбора способа охлаждения. Ниже мы опишем методы определения способа охлажде­ния ЭС при нормальном атмосферном давлении. Для режима пониженного давления этот методы применим при введении поправочного коэффициента K_Р, учитывающего давление воздуха. При нормальном атмосферном давлении К_Р = 1, а для других давлений воздуха значения К_Р приведены в [26]. Габаритные размеры (L ₁, L ₂ и L ₃) корпуса аппарата и коэффициент заполнения К_З использу­ются для определения условной величины поверхности теплообмена

, (12.6)

Если способ охлаждения выбирается для большого элемента, то величина поверхности теплообмена определяется из соответствующих чертежей по геометрическим размерам поверхности, находящейся в непосредственном контакте с теплоносителем.

За основной показатель, определяющий области целесообразного применения способа охлаждения, принимается величина плотности теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена

q= P∙K_Р / S_П, (12.7)

где Р — суммарная мощность, рассеиваемая ЭС с поверх­ности S_П теплообмена. Вторым показателем может слу­жить минимально допустимый перегрев элементов ЭС

, (12.8)

где T_{i min} — допустимая температура корпуса наименее теплостойкого элемента поТЗ, т. е. элемента, для которого допустимая температура имеет минимальное значение; для больших элементов это допустимая температура охлаждаемой поверхности; Т_с — температура окружающей среды; для естественного охлаждения Т_с = T_{с mах}, т. е. соответствует максимальной температуре окружающей среды, заданной в ТЗ; для принудительного охлаждения Т_с = Т_ВХ, т. е. соответствует температуре воздуха (жидкости) на входе в ЭС; Δt_c = t_{i min} –t_с =ΔТ_c. Здесь Т – значения температуры, выраженные в К (система СИ), а t -значения температуры, выраженные в °С (внесистемная единица температуры, допускаемая стандартами к применению в технической документации).

На рисунке 12.1 области целесообразного применения различных спо­собов охлаждения приведены в координатах ΔТ_c, lgq. Имеется два типа областей. Области, в которых можно рекомендовать применение определенного способа охлаждения, и области, в которых с примерно одинаковым успехом можно применять два или три способа охлажде­ния. Области первого типа не заштрихованы и относятся к следующим способам охлаждения: 1- естественное воздушное, 3- принудитель­ное воздушное, 5 - принудительное жидкостное, 9- принудительное испарительное. Области второго типа заштрихованы: 2- возможно применение естественного и принудительного воздушного, 4- возмож­но применение принудительного воздушного и жидкостного, 6- воз­можно применение принудительного жидкостного и естественного ис­парительного, 7- возможно применение принудительного жидкостного, принудительного и естественного испарительного, 8 - возможно при­менение естественного и принудительного испарительного.

Следует заметить, что верхние кривые на рисунке 12.1, соответствую­щие T_{i min} >373 К (ΔТ_c = Δt_c >100 K =100 °С), обычно применяются для выбора способа охлаждения больших элементов, так как допустимые температуры их охлаждаемых поверхностей часто выше 373 К. Нижние кривые на рисунке 12.1 применяются для выбора способа охлаждения блоков, стоек и т. п., выполненных на дискретных и микроминиатюрных элементах, так как для них обычно T_{i min} <373 К. Поэтому области целесообразного применения различных способов воздушного, охлаждения в верхней ча­сти графика не являются продолжением соответствующих кривых в нижней части. Последнее вызвано также и тем, что при охлаждении разветвленных поверхностей больших элементов можно получить бо­ле высокие эффективные коэффициенты теплоотдачи.

Если показатели q и ΔТ_c рассматриваемого ЭС попадают в не заштрихованные области рисунка 12.1, то для нее сразу может быть выбран способ охлаждения, соответствующий этой области. Если же показа­тели РЭА попадают в заштрихованные области, где возможно приме­нение двух или трех различных способов охлаждения, то задача выбо­ра способа охлаждения усложняется и необходимо пользоваться до­полнительными графиками.

Рассмотрим порядок вы­бора способа охлаждения ЭС, показатели q и АТ_С которой попадают в область 2 на рисунке 12.1.

 

Рисунок 12.2 - Вероятностные кривые для ЭС в герметичном кожухе с естественным воз­душным охлаждением и внутренним перемешиванием [26]

 

Для этой цели построены вспомогательные графики применительно к дискретным и микроминиатюрным элементам (рисунки 12.2 -12.5). На рисунок 12.2 представлены вероятностные кривые для ЭС в герметичном корпусе с естественным и принудительным воздушным охлаждением с внутренним перемешиванием. По осям координат отложены показа­тели ЭС, причем на оси ординат даны четыре шкалы для различных массовых удельных расходов (на единицу площади сечения) принуди­тельного движения воздуха: W= 0- естественное охлаждение; W = 1- 3 кг/с∙м² - принудительное внутреннее перемешивание воздуха.

 

Рисунок 12.3 - Вероятностные кривые для ЭС в герметичном кожухе с естественным воз­душным охлаждением и наружным обдувом [26]

На поле графика приведены различные кривые, соответствующие ве­роятностям р = 0,01 - 1,0. По графику можно установить для ЭС с по­казателями q и ΔТ_c вероятность, с которой тепловой режим будет соот­ветствовать заданному в ТЗ, если воздушное охлаждение будет естест­венным или с внутренним перемешиванием в герметичном кожухе.

Например, для ЭС с показателями q = 600 Вт/м² и ΔТ_c = 60 К при естественном воздушном охлаждении в герметичном кожухе вероятность обеспечения теплового режима равна 0,4, а при внутреннем перемешивании воздуха с удельным расходом 2 кг/с∙м² вероятность обеспечения теплового режима равна 0,7.

На рисунке 12.3 представлены вероятностные кривые для ЭС в гер­метичном корпусе с естественным и принудительным воздушным охлаж­дением с наружным обдувом. Смысл кривых такой же, как и на рисунке 12.2, а значения для W= 0(естественное охлаждение) на обоих графиках совпадают.

Рисунок 12.4 - Вероятностные кривые для ЭС с естественным воздушным охлаждением в перфорированном кожухе [26]

Рисунок 12.5 - Вероятностные кривые для ЭС с принудительным охлаждением продувом воздухом [26]

На рисунке 12.4 построены вероятностные кривые для ЭС с естест­венным воздушным охлаждением в перфорированном кожухе, на рисунке 12.5 - вероятностные кривые для ЭС с принудительным охлаж­дением путем продува холодным воздухом. На рисунке 12.5, в отличие от предыдущих рисунков, введен еще один показатель - массовый расход воздуха на единицу рассеиваемой РЭА мощности g=G/( 10 ^-3 ∙Р). Расход воздуха на охлаждение РЭА может быть задан в ТЗ, в противном случае необ­ходимо пользоваться принятыми на сегодня приближенными оценками.

Таким образом, с помощью рисунков 12.2 -12.5 можно определить ве­роятность обеспечения теплового режима ЭС при применении различных модификаций охлаж­дения и, пользуясь этими оценками, сделать окончательный выбор спо­соба охлаждения. При этом следует руководствоваться правилами:

а) если точка с, заданными параметрами на одном из графиков
рисунков 12.2 - 12.5 попадает в область вероятности р ≥0,8, можно остановиться на этом способе охлаждения;

б) если точка попадает в область с вероятностью 0,8> р >0,3,
можно выбрать этот способ охлаждения, однако при конструировании
ЭС обеспечению нормального теплового режима следует уделить тем
больше внимания, чем меньше вероятность;

в) при вероятностной оценке 0,3> р >0,1 не рекомендуется выбирать этот способ охлаждения. В противном случае следует уделить особое внимание обеспечению нормального теплового режима ЭС и, может быть, даже пойти на увеличение габаритов, массы и энергопотребления аппарата в целом;

г) при вероятностной оценке 0,1> р >0,05 обеспечить нормальный
тепловой режим рассматриваемым способом удается очень редко, а при
р <0,05 практически невозможно.

 

Пример 12.1 [26]. По техническому заданию необходимо определить способ охлаждения блока негерметичного ЭС со следующими исходными данными: Р =0,5 кВт; ΔТ_c =30 К, q =400 Вт/м². Ре­жим работы длительный. Давление воздуха, окружающего блок, атмосферное.

Точка с заданными параметрами на графике рисунка 12.1 попадает в область 2. Возможно как естественное, так и принудительное воздушное охлаждение.

По кривым рисунка 12.4 находим, что нормальный тепловой режим этого аппарата может быть обеспечен при естественном охлаждении и перфорированном кожухе с ве­роятностью р =0,28. Так как вероятность обеспечения нормального теплового режима при естественном охлаждении мала и нужно уделить особое внимание его обеспечению даже в ущерб другим характеристикам РЭА, целесообразно выбрать принудительное воздушное охлаждение. По рисунка 12.5 для вероятности р = 0,6 находим требуемый для обеспечения нормаль­ного теплового режима удельный расход воздуха: g=G/( 10 ^-3 ∙Р)= 240 кг/ч∙кВт, отсюда G = 120 кг/ч. Этот расход воздуха соответствует приведенным выше рекомендациям.

Пример 12.2. По результатам, полученным в примере 12.1, выбрать малогабаритный вентилятор для блока негерметичного ЭС на 220 В 50 Гц.

Пересчитаем расход G = 120 кг/ч в расход, выраженный в м³/мин впроизводительность G₁, м³/мин.

G = 120 кг/ч= 120/60=2 кг/мин.

G₁ (м³/мин.) = G (кг/мин)/ ρ (кг/ м³).

Притемпературе 20 °С воздух имеет плотность ρ =1,205 кг/ м³ [37].

G₁ (м³/мин.) = G (кг/мин)/ ρ (кг/ м³)=2/1,205=1,66 м³/мин.

Воспользуемся справочными данными о малогабаритных вентиляторах, выпускаемых электронной корпорацией Jamicon, помещёнными в таблице 12.1 [37].

Таблица 12.1 - Справочные данные о малогабаритных вентиляторах, выпускаемых электронной корпорацией Jamicon [37]

 

Тип	Производит. G1, м3/мин	Максим. размер в мм	Тип	Произво дит. G1, м3/мин	Максим. размер в мм
КА-0825H2S	0,39	71,5	JА-1225H2S	1,87	104,8
КА-0838H2S	0,64	71,5	JА-1238H2S	2,7	104,8
КА-1225L2S	1,3		JА-1238 L2S	1,75	104,8
КА-1238H2S0	2,38		JА-1236H2B	3,26	104,8
JА-0838H2S	0,71	71,5	JА-1738H2B	3,62
JА-0925H2S	0,93	82,5	JА-1751H2B	6,75
JА-0925H2B	0,76	82,5	-	-	-

Выбираем из таблицы вентилятор типа JА-1238 L2S на 220 В 50 Гц с G₁ =1,75 м³/мин и с максимальным габаритным размером 104,8 мм Из [37] находим что он потребляет ток 0,06 А.

Конструкции некоторых импортных радиаторов для полупроводниковых приборов, поставляемых торговой фирмой Платан [37] и их характеристики (при отсутствии обдува) приведены в приложении М, а некоторые типовые конструкции радиаторов отечественной разработки [14] и их характеристики (при отсутствии и при наличии обдува) приведены в приложении Н. Наличие справочных значений тепловых сопротивлений радиатор - окружающая среда облегчает оценку теплового режима полупроводниковых приборов, смонтированных на типовых радиаторах.

Пример 12.3. В блоке ЭС производительность вентилятора JА-1238 L2S на 220 В 50 Гц равна G₁ =1,75 м³/мин. Общая площадь поперечного сечения каналов в конструкции ЭС, через которые продувается воздух, перпендикулярная направлению воздушного потока S =0,01 м². Температура воздуха 20 °С. Площадь контакта радиатора с транзистором =2 см². Тепловое сопротивление заданного типа кремниевого транзистора, взятое из справочника[31] равно . Определить температуры радиатора, корпуса транзистора и коллекторного р-п - перехода. Мощность, рассеиваемая транзистором 21 Вт. Определить, работоспособен ли в этом случае транзистор на радиаторе типовой конструкции, имеющем характеристики (см. приложение Н).

Решение:

Вычислим величину производительности вентилятора в системе СИ

G₁ =1,75 м³/мин= 1,75/60 м³/с= 0,0292 м³/с.

Определим скорость обдува v (м/с) по формуле

v= G₁ / S; (12.9)

v= 0,0292/0,01=2,92 м/с.

Примем приближённо v ≈ 3 м/с. При этом

Определим температуру радиатора по формуле

(12.10)

20+21∙2,6=74,6 °С, °С.

Определим температуру корпуса транзистора по формуле

. (12.11)

, (12.12)

где - тепловое сопротивление контакта между транзистором и радиатором, приближённо оцениваемое по формуле [16]

. (12.13)

≈ 2,2/2=1,1 °С\Вт.

20∙1,1=22 °С.

20+54,6+22=96,6 °С.

Определим температуру коллекторного р-п - перехода транзистора по формуле

. (12.14)

. (12.15)

°С.

20+54,6+22+21=117,6 °С.

Максимально допустимая температура коллекторного р-п - перехода кремниевого транзистора

°С. (12.16)

В этом случае транзистор на радиаторе типовой конструкции работоспособен, так как выполняется условие

. (12.17)

Пример 12.4. Транзистор на радиаторе, описанный в предыдущей задаче, находится в открытом воздушном пространстве при нормальном атмосферном давлении. Температура воздуха 20 °С. Какую максимальную мощность может рассеять транзистор?

Решение.

Максимальная допустимая мощность будет, когда

°С. (12.18)

. (12.19)

Из (12.19) имеем

. (12.20)

Из предыдущей задачи имеем: =1,1 °С\Вт; . В итоге получим

=14,1 Вт.

Расчёты тепловых режимов различных типов радиаторов нестандартных размеров более громоздки и описаны в литературе [16, 23, 24, 26, 34].

 

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: