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Elektroschweißen. So berechnen Sie den Heizkörper. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Schweißgeräte

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Beim Betrieb eines Halbleiterbauelements wird in seinem Kristall Energie freigesetzt, die zu dessen Erwärmung führt. Wenn mehr Wärme freigesetzt wird, als in den umgebenden Raum abgegeben wird, steigt die Temperatur des Kristalls und kann den maximal zulässigen Wert überschreiten. In diesem Fall wird seine Struktur irreversibel zerstört.

Daher wird die Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen weitgehend bestimmt Kühleffizienz. Am effektivsten ist der konvektive Kühlmechanismus, bei dem Wärme durch die Strömung eines gasförmigen oder flüssigen Kühlmittels abgeführt wird und die gekühlte Oberfläche umspült.

Je größer die gekühlte Oberfläche, desto effizienter ist die Kühlung und daher müssen leistungsstarke Halbleiterbauelemente auf Metallkühlern mit entwickelter gekühlter Oberfläche installiert werden. Als Wärmeträgermedium wird üblicherweise Umgebungsluft verwendet.

Je nach Art der Bewegung des Kühlmittels unterscheiden sie sich:

• natürliche Belüftung;
• Zwangsbelüftung.

Bei natürlicher Belüftung erfolgt die Bewegung des Kühlmittels durch den Luftzug, der in der Nähe des beheizten Kühlers entsteht. Bei der Zwangsbelüftung wird das Kühlmittel mittels eines Ventilators bewegt. Im zweiten Fall können höhere Durchflussraten und damit bessere Kühlbedingungen erzielt werden.

Thermische Berechnungen können stark vereinfacht werden, wenn wir das thermische Kühlungsmodell verwenden (Abb. 18.26). Hier ist die Differenz zwischen der Kristalltemperatur T_J und Umgebungstemperatur T_A bewirkt einen Wärmefluss vom Kristall zur Umgebung über Wärmewiderstände R_JC (Kristall - Körper), R_CS (Gehäuse - Kühler) und R_SA (Heizkörper - Umgebung).

Abbildung 18.26. Modell mit thermischer Kühlung

Der Wärmewiderstand hat die Einheit °С/W. Insgesamt maximaler Wärmewiderstand R_JA An der Stelle des Kristalls kann die Umgebung nach folgender Formel ermittelt werden:

wo P._PP - Verlustleistung am Kristall eines Halbleiterbauelements, W.

Wärmewiderstand R_JC und R_CS in den Referenzdaten für Halbleiterbauelemente angegeben. Gemäß den Referenzdaten beträgt beispielsweise der Wärmewiderstand des IRFP250N-Transistors im Kristall-Kühler-Abschnitt R_JC + R_CS \u0,7d 0,24 + 0,94 \uXNUMXd XNUMX ° C / W.

Das bedeutet, dass bei einer Verlustleistung von 10 W auf dem Chip dessen Temperatur um 9,4 °C höher ist als die Temperatur des Kühlkörpers.

Thermischer Widerstand des Kühlkörpers kann durch die Formel gefunden werden:

Die folgende Methodik basiert auf den Auswahlrichtlinien für Aluminiumheizkörper Max Clip System™ von AAVID THERMALLOY.

Auf Abb. 18.27 zeigt eine grafische Beziehung zwischen dem Umfang des Abschnitts eines Aluminiumkühlers und seinem Wärmewiderstand für natürliche (rote Linie) und erzwungene (blaue Linie) Luftstromkühlung.

Standardmäßig wird davon ausgegangen:

• der Radiator hat eine Länge von 150 mm;
• Differenz zwischen Kühlkörpertemperatur T_S und Umgebungstemperatur T_а ist ;
• Strömungsgeschwindigkeit der Zwangskühlung beträgt 2 m/s.

Wenn die Kühlbedingungen von den standardmäßig akzeptierten abweichen, kann die erforderliche Korrektur mithilfe der Diagramme in Abb. vorgenommen werden. 18.28 - Abb. 18.30.

Reis. 18.27. Beziehungen zwischen dem Querschnitt eines Aluminiumkühlers und seinem Wärmewiderstand

Reis. 18.28. Korrekturfaktor für die Differenz zwischen der Temperatur des Heizkörpers und der Umgebung

Reis. 18.29. Korrekturfaktor für die Luftmenge

Reis. 18.30. Korrekturfaktor für Heizkörperlänge

Berechnen wir beispielsweise einen Kühler, der einen ERST-Transistor, bestehend aus 20 Transistoren vom Typ IRFP250N, kühlt. Die Berechnung des Strahlers kann für einen Transistor durchgeführt werden und die resultierende Größe dann um den Faktor 20 erhöht werden.

Da die Gesamtverlustleistung des Schlüsseltransistors 528 W beträgt, beträgt die Verlustleistung jedes IRFP250N-Transistors 528/20 = 26,4 W. Der Kühlkörper muss sicherstellen, dass die maximale Temperatur des Transistorkristalls bei einer maximalen Umgebungstemperatur von +110 °C nicht mehr als +40 °C beträgt.

Wird finden thermischer Widerstand R_JA für einen Transistor IRFP250N:

Jetzt lass uns finden Wärmewiderstand des Kühlkörpers:

Wenn wir die maximale Temperatur des Kristalls und den Wärmewiderstand im Abschnitt des Kristallkühlers kennen, bestimmen wir die maximale Temperatur des Kühlers:

Anhand der Grafik (Abb. 18.28) ermitteln wir den Korrekturfaktor Kt für die Temperaturdifferenz zwischen Heizkörper und Umgebung:

Wird verwendet, um den Kühler zu kühlen Ventilator Typ 1,25EV-2,8-6-3270U4, mit einer Kapazität von 280 m3/h. Um den Durchfluss zu berechnen, müssen Sie die Leistung durch den vom Ventilator geblasenen Kanalquerschnitt dividieren.

Wenn der Kanal eine Querschnittsfläche hat:

dann ist die luftmenge:

Gemäß dem Diagramm (Abb. 18.29) bestimmen wir den Korrekturfaktor K_v zur tatsächlichen Luftgeschwindigkeit:

Nehmen wir an, dass wir über eine große Anzahl vorgefertigter Heizkörper mit einem Querschnittsumfang von 1050 mm und einer Länge von 80 mm verfügen. Anhand der Grafik (Abb. 18.30) ermitteln wir den Korrekturfaktor K_L für die Länge des Heizkörpers:

Um die Gesamtkorrektur zu finden, multiplizieren wir alle Korrekturfaktoren:

Änderungen vorbehalten, sollte der Kühler bieten thermischer Widerstand:

Anhand der Grafik (Abb. 18.27) stellen wir fest, dass ein Transistor einen Strahler mit einem Querschnittsumfang von 200 mm benötigt. Für eine Gruppe von 20 IRFP250N-Transistoren muss der Strahler einen Querschnittsumfang von mindestens 4000 mm haben. Da die verfügbaren Heizkörper einen Umfang von 1050 mm haben, müssen 4 Heizkörper kombiniert werden.

Bei der ERST-Diode wird weniger Leistung verbraucht, aus Designgründen kann dafür jedoch ein ähnlicher Strahler verwendet werden.

Kühlerhersteller geben häufig die Oberfläche des Kühlers an und nicht den Umfang und die Länge.

Um die Fläche des Heizkörpers mit der vorgeschlagenen Methode zu erhalten, reicht es aus, die Länge des Heizkörpers mit seinem Umfang S zu multiplizieren_P = 400 • 8 = 3200 cm2.

Autor: Koryakin-Chernyak S.L.

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