В силовой электронике для улучшения теплоотдачи от теплонагруженных элементов часто применяют теплоотводящие радиаторы. Назначение радиатора состоит в значительном снижении теплового сопротивления между корпусом теплонагруженного элемента и окружающей средой, а, следовательно, в уменьшении перегрева элемента. Обеспечение допустимого теплового режима элементов увеличивает их надёжность и время безотказной работы.
В данном проекте необходимо рассчитать габариты радиатора, для этого необходимо осуществить его тепловой расчёт, основанный на анализе тепловой модели источника, тепловой энергии и радиатора. Рассмотрим в качестве источника тепловой энергии полупроводниковый прибор.
Тогда тепловая модель, полученная методом тепловой аналогии, будет представлена тепловой схемой на рисунке. По данной схеме: P – мощность, выделяемая полупроводником (транзистор, тиристор, диод);
| Tj – температура кристалла полупроводника (junction); Tc – температура корпуса полупроводника (case); Ts – температура радиатора (sink); Ta – температура окр. среды (ambient); Rjc – тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом полупроводника; Rcs – тепловое сопротивление между корпусом и радиатором; Rsa – тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой. |
Общее тепловое сопротивление между кристаллом полупроводника и окружающей средой определяется следующим образом:
, С0/Вт
Тепловое сопротивление Rcs зависит от качества теплового контакта между транзистором и радиатором. При плотном прилегании прибора к радиатору
Rcs =0,5…1 С0/Вт.
При наличии теплопроводящей смазки (КТП-8) Rcs уменьшается до значений 0,1...0,5 С0/Вт.
Если между прибором и радиатором находятся диэлектрические прокладки, то для слюды толщиной от 0,06 до 0,41 мм – Rcs = 1,6…2,7 С0/Вт, а для лавсановых и фторопластовых прокладок Rcs = 0,06…1 С0/Вт.
Тепловое сопротивление Rjc зависит от типа полупроводника и определяется из документации на конкретный прибор (транзистор, диод). Для современных полупроводниковых приборов это значение находится в пределах 0,1… 0,5 С0/Вт.
Тепловое сопротивление «радиатор – окружающая среда» Rsa можно определить как:
, С0/Вт,
где α – коэффициент теплоотдачи, Sр – площадь поверхности радиатора, м2.
Тепловая модель полупроводника установленного на радиатор. В скобках указан электрический аналог.
1) Определим необходимость радиатора, для этого запишем уравнение теплового баланса:
тогда температура кристалла
; 
Таким образом, основная задача состоит в снижении суммарного теплового сопротивления Rja, для этого параллельно ему «подключаем» тепловые сопротивления намного меньшего значения (см. рис.). Но бывают случаи, когда в радиаторе нет необходимости. Обычно в справочных данных на полупроводниковый элемент параметр Rja=40 ÷ 60 С0/Вт.
Температура окружающей среды – это температура воздуха, находящего в пространстве корпуса силового преобразователя, обычно ta = 35 ÷ 40 С0/Вт.
Подставив значения мощности потерь в полупроводнике (рассчитанной заранее), температуры окружающей среды и теплового сопротивления кристалл-среда, получим значение температуры кристалла. Сравним полученную температуру с допустимой температурой приведенной в документации на полупроводник, если она близка или даже превышает её, тогда радиатор необходим.
2) Выписываем из справочных данных параметр теплового сопротивления кристалл-корпус Rjc
3) Выбираем значение теплового сопротивления корпус-радиатор Rcs, в зависимости от вида установки полупроводника на радиатор (см. выше). Например, если полупроводник установлен на радиатор через берилиевую шайбу с использованием пасты КПТ-8, то Rcs = 0,16 С0/Вт. Если полупроводник установлен без использования берилиевых подложек, но с использованием пасты, то Rcs = 0,05 С0/Вт.
4) Выбираем по графику зависимости максимальной температуры кристалла полупроводника от рабочего тока, параметр – Tjmax.
5) Определяем, какой должна быть температура радиатора
6) Определяем необходимое тепловое сопротивление радиатор-окружающая среда
7) Определим необходимую площадь радиатора (м2)
Величина α зависит от способа охлаждения поверхности радиатора и от окружающей его среды. Для свободной конвекции в воздухе и газах α = 10 ÷ 100 Вт/(м2 0С). По результатам измерений для черненого радиатора, находящегося под обдувом воздуха со скоростью 3÷5 м/с, α = 12 ÷ 14 Вт/(м2 0С).
Пример.
Полевой транзистор марки IXTK120N25P (фирма IXYS) установлен в схеме повышающего преобразователя. Суммарные потери в транзисторе составляют 8 Вт. Определим площадь радиатора, установленного под обдувом воздуха, температура окружающей среды Tа = 35 0С.
1) 
0C!!! Расчетная температура значительно превышает допустимую температуру кристалла, представленную в документации на транзистор (Tj = 175 0С), радиатор необходим!
2) Тепловое сопротивление для данного транзистора Rjc = 0,18 0С/Вт.
3) Транзистор установлен на радиатор через берилиевую шайбу с использованием пасты КПТ-8, значит тепловое сопротивление корпус радиатор принимаем равным Rcs = 0,16 С0/Вт.
4) Выбираем рабочую температуру кристалла Tjmax = 75 0С.
5) Определяем рабочую температуру радиатора
0С
6) Определяем необходимое тепловое сопротивление радиатор-окружающая среда
7) Определим необходимую площадь радиатора (м2)
