Рубрики
Оборудование

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1 Юрий Непочатов В истинной работе приведены результаты расчетов и исследовательских работ массивных

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1 Юрий Непочатов

В истинной работе приведены результаты расчетов и исследовательских работ массивных главных транзисторных сборок, составляющих базу силовых модулей, выполненных с внедрением СИТ с модулируемой проводимостью канала. Произведен расчет термического сопротивления и допустимой наибольшей рассеиваемой мощности проектируемых устройств. Сравниваются расчетные и экспериментальные данные.

Введение

Успешное решение задачки сотворения устройств, потребляющих из сети и выдающих потребителю постоянную активную мощность, и преобразователей, обеспечивающих данные характеристики электроэнергии и электрическую сопоставимость, может быть только при помощи новейшей элементной базы. Одним из многообещающих направлений ее развития являются силовые модули на базе полупроводниковых ключей с внедрением разных транзисторов, а именно — массивных полевых транзисторов со статической индукцией (СИТ).

В наcтоящее время в устройствах энергетической электроники обширно используются последующие главные типы полупроводниковых ключей:

  • Биполярные ключи с инжекционным управлением (силовые биполярные транзисторы и тиристоры).
  • Униполярные ключи с полевым управлением (массивные МДП-транзисторы, транзисторы с управляющим р-n-переходом, в том числе транзисторы с электростатической индукцией).
  • Комбинированные ключи, сочетающие достоинства полевого управления и биполярного механизма токопереноса (биполярные транзисторы с изолированным затвором, комбинированные СИТ-МОП-транзисторы, МОП-тиристоры).
  • Силовые интегральные схемы «разумных» ключей и умственные силовые модули, объединяющие в одном корпусе силовую часть, схемы управления, диагностики и защиты.

В истинной работе приведены результаты расчетов и исследовательских работ массивных главных транзисторных сборок, составляющих базу силовых модулей, выпол-ненных с внедрением СИТ с модулируемой проводимостью канала. Произведен расчет термического сопротивления и допустимой наибольшей рассеиваемой мощности проектируемых устройств. Сравниваются расчетные и экспериментальные данные.

Полевые транзисторы со статической индукцией История развития устройств со статической индукцией

Статический индукционный транзистор (СИТ) получил такое заглавие, чтоб можно было отличить режим его работы от режима работы аналогового транзистора, предложенного Шокли в 1952 г. и позже реализованного в форме многоканального полевого транзистора. СИТ с его маленьким каналом не имеет насыщения тока стока так же, как и электрическая лампа-триод с ограничением тока пространственным зарядом.

Транзистор со статической индукцией, придуманный японским доктором Нишизавой сначала 1970-х годов, сначало отыскал обширное применение в качественных звуковых усилителях. Последующие успехи в разработке СИТ позволили сделать приборы с рассеиваемой стоком мощностью до 1 кВт на рабочие токи и напряжения 20 А и 800 В соответственно [1]. Высочайшая перегрузочная способность и потрясающее быстродействие позволили с фуррором использовать эти приборы в качестве высоковольтных ключей.

К главным плюсам СИТ относятся [2]:

  • Возможность получения больших пробивных напряжений, порядка нескольких киловольт.
  • Большая крутизна и высочайшие значения коэффициента блокирования, другими словами отличные усилительные характеристики.
  • Малые преломления выходного сигнала, что очень принципиально при формировании импульсов тока с маленькими фронтами.
  • Возможность перевода транзистора в биполярный режим работы и, тем, обеспечения очень низких остаточных напряжений.
  • Более высочайшая устойчивость к спецвоздействию и статическому напряжению.
  • Более низкое значение остаточного тока стока в закрытом состоянии.

За рубежом разработкой массивных высоковольтных СИТ интенсивно занимаются японские компании Tohin и Митсубиши. Последняя разработала серию транзисторов (2SК76, 2SК77, 2SK180, 2SK181, 2SК182, 2SK183), способных оперировать мощностями в сотки кв за 300 нс. Все приборы данной серии имеют структуру кристалла со сокрытым затвором. Это понижает их быстродействие и ограничивает возможность действенного понижения сопротивления канала при прямом смещении управляющего перехода.

1-ые российские массивные высоковольтные СИТ-транзисторы КП801, КП802 [3,4], разработанные сначала 1980-х годов, были выполнены с планарной структурой затвора, что позволило существенно повысить их быстродействие и достигнуть малой величины сопротивления канала в открытом состоянии при относительно малой площади кристалла. Владея выходной вольт-амперной чертой (ВАХ) триодного типа, СИТ-транзисторы открывают ряд новых способностей в построении электрических схем с низким выходным сопротивлением и малыми нелинейными искажениями в критериях внедрения неглубоких отрицательных оборотных связей. Но будет ошибкой считать, что СИТ способны всюду работать идиентично отлично. Как все полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом, они имеют нормально открытый канал, что просит сначало подачи запирающего напряжения, а потом — рабочего. В отдельных случаях это ограничивает их применение.

Принцип деяния транзистора со статической индукцией

При отсутствии напряжения на затворе Uзи = 0 каналы «открыты» и ВАХ транзистора близка к ВАХ полупроводникового n+-n—n+-резистора [5]. С повышением оборотного напряжения на р-п-переходе затвора расширяющаяся область пространственного заряда (ОПЗ) перекрывает канал, вызывая отсечку тока. Ввиду незначительности глубины отрицательной оборотной связи, обусловленной малым значением сопротивлением истока Rи, прибор является «нехорошим генератором тока» и может быть блокирован относительно низким потенциалом затвора при данном напряжении на стоке Uси. Напряженность электронного поля поблизости цепочки р+-затворов на стадии блокирования оказывается направленной таким макаром, что выходящие из истока электроны тормозятся и не могут преодолеть появившийся возможный барьер.

Напряженность поля в хоть какой точке повдоль канала является векторной суммой напряжен-ностей поля затвора E1 и поля стока E2 (исток обычно соеаиняется с «землей»), при этом векторы E1 E2и обратно ориентированы. При возрастанаи напряжения на стоке Uси напряженность E2 будет также расти:

Δε2 = ΔUcи/W0. (1)

В нулевом приближении приращение напряженности поля затвора можно найти так:

Δε1 = ΔUзи/Wз, (2)

где Wз — расстояние меж электронейтральной областью истока и затвором; W0 — расстояние меж электронейтральной областью стока и затвором.

Отсюда выведем коэффициент усиления по напряжению для таких структур:

μ* = Wз/W0 = ΔUси/ΔUзи. (3)

При постоянном Uзи и возрасаании Uси вектор E1 — константа. При всем этом E2 возрастает, а при выполнении условия

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

ток в канале возобновляется, другими словами прибор раскрывается напряжением на стоке. На основании рассмотренного механизма включения и запирания Нишизава [5] предложил именовать приборы этого типа «устройствами со статической индукцией», так как их работа базирована на эффекте статической индукции через объемно заряженный диэлектрик.

Отметим еще два важных параметра этих устройств:

  • внутреннее сопротивление, выраженное отношением

    rBи = |ΔUси/ΔIси| = μ|ΔUзи/ΔIси| = μ/S, (5)

    где S = ΔIс/ΔUзи — крутизна;

  • коэффициент эффективности затвора, определяемый как

    η= δUз(0)/δUзи, (6)

    где Uз(0) — потенциал в точке, соответственной верхушке потенциального барьера.

В неких работах в (6) вместе с коэффициентом усиления по току вводится коэффициент блокирования, обозначаемый этим же эмблемой μ = |Uси/Uзи|, при условии, что Ic = const (7).

С учетом данных работы [7] «наружный» коэффициент блокирования может быть записан в виде:

μ = ημ*. (8)

Физические представления о работе транзистора со статической индукцией в стационарном режиме

Изображенная на рис. 1 структура СИТ в целом подобна структуре многоканального полевого транзистора с управляющим р-n-переходом [8].

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

Рис. 1. Структура транзистора со статической индукцией: а) со сокрытым затвором; б) с поверхностным затвором

При отсутствии оборотного смещения на управляющем переходе главные носители движутся от истока к стоку, а их током управляет напряжение на стоке. Так как последовательное сопротивление канала прибора не достаточно, воздействие отрицательной оборотной связи существенно слабее, ежели в обыкновенном полевом транзисторе, вследствие чего прибор обнаруживает ненасыщающиеся выходные свойства в очень широком спектре токов и напряжений. Как отмечается в работе [9], в области малых значений тока стока приборы имеют экспоненциальные выходные свойства при фиксированном напряжении на затворе.

При предстоящем возрастании тока стока свойства начинают приближаться к линей-ным, что связывают с возрастанием сопротивления канала и приближением произведения RиS* к единице [10]. В конце концов, в области очень огромных токов стока, которые часто не достигаются в реальных устройствах в рабочих режимах, эффект сужения канала вследствие омического падения напряжения на сопротивлении канала, невзирая на малость Rи, становится доминирующим, и ВАХ транзистора перебегает в ква-зипентодную, подобно ВАХ полевых транзисторов с длинноватым каналом (рис. 2а). На рис. 2б приведена передаточная черта транзистора со статической индукцией [9].

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

Рис. 2. Свойства транзистора со статической индукцией: а) выходная; б)передаточная

Рассредотачивание потенциала по оси канала транзистора представлено на рис. 3. Как указывает приведенный создателями численный расчет [2], с ростом напряжения стока (анода) возможный барьер, обусловленный действием назад смещенного р-п-затвора, снижается и двигается в сторону стока (катода).

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

Рис. 3. Рассредотачивание потенциала по оси канала транзистора со статической индукцией.

Эффект уменьшения высоты барьера, препятствующего протеканию носителей в приборе, эквивалентен увеличению прямого смещения на обыкновенном р-п-переходе — с той только различием, что в СИТ проводимость обоснована только одним типом носителей. Это позволяет осознать экспоненциальный участок на ВАХ в области малых токов, где значение высоты потенциального барьера велико. В предстоящем, так как RиIс<

Входные свойства СИТ в рассмотренной литературе не приводятся. Температурный коэффициент тока стока в области малых токов является положительным, что отлично коррелирует с представлениями о переносе заряда в данном режиме работы транзистора жаркими носителями, преодолевающими возможный барьер затвора. В области огромных значений тока стока температурный коэффициент меняет символ на отрицательный, отражая температурную зависимость проводимости канала [9]. О температурной зависимости стока для транзистора со статической индукцией можно судить по передаточной характеристике прибора, приведенной на рис. 4 [2].

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

Рис. 4. Температурная зависимость тока стока транзистора со статической индукцией: Uзи — напряжение меж истоком и затвором, В /си — ток, протекающий меж стоком и истоком, А

Конструктивные особенности структуры кристаллов СИТ-транзисторов

В 70-80-х годах, когда был сотворен СИТ, написано огромное число трудов, объясняющих принцип его работы и предлагающих огромное количество конструктивных решений для сотворения такового транзистора [11,12]. Большой энтузиазм к этим устройствам можно разъяснить их высочайшей линейностью, возможностью сотворения прибора с маленькими каналами, отрицательной температурной зависимостью тока стока и т. д.

Из огромного количества предложенных конструктивных вариантов можно выделить три главных, нашедших обширное применение (рис. 5).

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

Рис. 5. Варианты конструкций транзисторов со статической индукцией: а) со интегрированным затвором; б) с планарным затвором; в) с углубленным планарным затвором

Достоинство СИТ, изображенного на рис. 5а, — простота реализации. Высочайшее сопротивление затвора ограничивает его внедрение на больших частотах, потому он обширно используется при разработке низкочастотных транзисторов, созданных для работы в качественной звуковой аппаратуре. В 2-ух других конструктивных решениях (рис. 5б, в) удалось избежать этих недочетов. Но в варианте, приведенном на рис. 5в, после нормирования затвора и проведения глубочайшего окисления кремния сопротивление затвора несколько возрастает. В связи с этим более многообещающей считается конструкция, представленная на рис. 5б, невзирая на то, что исходя из убеждений технической реализации она является самой сложной, так как просит электрической и рентгенолито-графии, взрывной металлизации и предъявляет высочайшие требования к совмещению структур.

СИТ с планарным затвором

На рис. 5б представлен транзистор с планарным затвором. Это прибор с вертикальным каналом, в каком исток и затвор локализованы в приповерхностном n+ и р+-слоях, приобретенных диффузионным методом.

Электрический ток течет сверху вниз к электроду стока. Длина канала очень мала, и, как следует, свойства прибора являются чисто триодными. Что касается частотных параметров, то транзисторы с приповерхностным затвором имеют достоинства по сопоставлению с транзисторами со интегрированным затвором (рис. 5а), так как они владеют малым расстоянием меж истоком и затвором, наименьшим Ки и наименьшей длиной канала.

Необходимо подчеркнуть, что в планарных структурах отсутствуют и нарушения поверхности, что существенно упрощает металлизацию. Тривиальной является и поболее высочайшая технологичность таких устройств, так как при их изготовлении нет необходимости в наращивании на поверхности пластинки с уже сформированной узкой структурой затвора эпитаксиаль-ной пленки шириной порядка 10 мкм.

Но размещение затвора в одной плоскости с истоком приводит к значительному уменьшению площади последнего, что вызывает рост плотности тока истока. При всем этом появляются трудности с обеспечением больших пробивных напряжений исток-затвор. Это в особенности принципиально поэтому, что приборы с пoверхносΊmIм затвором имеют более низкие значения коэффициента усиления по напряжению μ, ежели приборы со сокрытым затвором. Одновременное понижение μ и максимально допустимого Uзи приводит к ограничению наибольших значений Uси. Таким макаром, приборы с поверхностным затвором владеют как бесспорными плюсами, так и принципными недочетами. В связи с этим значимые усилия конструкторов и технологов ориентированы на поиски более совершенной геометрии областей затвора, позволившей бы скооперировать плюсы устройств со сокрытым и поверхностным затвором, исключив совместно с тем присущие им недочеты.

Сопоставление главных характеристик ключей с внедрением iGbT и СИТ-транзистора

Как ранее говорилось во внедрении, посреди иных вариантов конструкций ключей обширное применение находят комбинированные ключи, в каких употребляются СИТ-транзисторы. Основной тенденцией развития таких силовых ключей является их улучшение, направленное на решение последующих главных задач:

  • понижение уровня остаточных напряжений при данной плотности силового тока и высочайшем быстродействии;
  • увеличение стойкости работы ключа в режимах динамических перегрузок (по току, напряжению и термическому воздействию);
  • увеличение эффективности управления ключом с ростом коммутируемой мощности.

Одним из преимуществ данного класса устройств является их технологическая доступность для широкого круга фирм за счет наименьших финансовложений в освоение производства (что в особенности принципиально для российских компаний). Хотя следует выделить, что высоковольтный элемент каскадного ключа реализуется с внедрением как отдельных современных технологических процессов, так и уникальных российских технологий.

Особенный энтузиазм представляют сравнительные исследования 2-ух комбинированных по-лупроводниковых ключей (многофункциональных аналогов): IGBT и комбинированного СИТ-МОП полевого транзистора (КСМТ). Были проведены экспериментальные исследования модуля IGBT типа СМ50DY-24H компании Митсубиши Electric и аналогичного по чертам модуля КСМТ типа М2ТКС-50-12, разработанного ВЭИ им. Ленина и МЭИ и сделанного ОАО «Контур» (г. Чебоксары). Было проведено исследование динамических процессов переключения обозначенных устройств с внедрением устройства контроля характеристик силовых транзисторов [13, 22], при всем этом контролировались последующие главные характеристики:

  • напряжение насыщения при данном выходном токе Uds(sat);
  • время задержки включения td(on);
  • время задержки выключения td(off);
  • время нарастания выходного тока tr;
  • время спада выходного тока tj;
  • время спада остаточного tt;
  • энергия утрат при включении Eon;
  • энергия утрат при выключении Eoff.

В приведенных ниже таблицах представлены главные элементы структуры 2-ух ключей (табл. 1) и свойства главных характеристик обоих модулей при резистивной нагрузке (табл. 2).

Таблица 1. Главные элементы структуры 2-ух ключей

Тип силового прибора Схема соединения высоковольтного и управляющего частей Управляющий элемент структуры Высоковольтный элемент структуры Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) Каскодная составная схема (аналог схемы Дарлингтона либо комплементарной составной схемы) Низковольтный МОП-транзистор и высоковольтный унитрон(JFET) в едином кристалле Биполярный транзистор с инжекционным управлением СИТ в композиции с МОП-транзистором Каскадная схема СИТ и МОП-транзистора Низковольтный МОП-транзистор и высоковольтный унитрон (JFET) в 2-ух монокристаллах Тиристор с электростатическим управлением (управляемый полем диодик)

Таблица 2. Свойства главных характеристик обоих модулей при резистивной нагрузке

Тип модуля td(on), нс tr, нс td(off), нс tf, нс tt, нс Eon, мкДж (по уровню 10%) Eoff, мкДж (по уровню 10%) Eon, мкДЖ , (по уровню 2%) Eoff, (по уровню 2%) Uds(sat)В(Id=50А) СМ50DY24H (Митсубиши Elеctric, Япония) 45 60 225 325 700 40 120 50 240 2,7 М2ТКС-50-12 (ОАО «Контур», Наша родина) 45 125 460 250 600 60 115 75 200 2,0

Выставленные экспериментальные данные демонстрируют, что характеристики российского силового транзисторного модуля с внедрением СИТ не ужаснее, чем характеристики IGBT третьего поколения (по систематизации Митсубиши Electric); при всем этом он существенно дешевле, так как для производства не требуется использования технологических процессов с проектными нормами 1 мкм, также дорогостоящей производственной базы.

Одним из главных вопросов, возникающих при конструировании массивных силовых ключей, является обеспечение действенного отвода тепла, его конструктивно-технологических решений и применяемых материалов. Более много они решены в серийно выпускаемых по технологии SKiiP модулях, разработанных компанией SEMIKRON. Беря во внимание энтузиазм разработчиков при проектировании силовых ключей, дальше мы кратко разглядим этот вопрос.

Особенности конструктивного выполнения силовых модулей исходя из убеждений отвода тепла и обеспечения обычных термических режимов Одна из главных тенденций современной микроэлектроники — это повышение степени интеграции, объединение на одном кристалле либо в одном корпусе наибольшего количества компонент для полного решения какой-нибудь задачки. В области силовой техники эта тенденция привела в свое время к разработке полумостовых и мостовых модулей. Наивысшим достижением интегральной силовой техники на сегодня является создание умственных силовых модулей — массивных импульсных высоковольтных усилителей, управляемых силовыми сигналами. Колоссальный прогресс, достигнутый за последние годы в технологии производства IGBT, позволил достигнуть ведущими глобальными производителями больших значений предельных черт у транзисторов и у силовых и умственных модулей. Так, у модулей IGBT, выпускаемых компанией SEMIKRON, при напряжении Uce = 1700 B, предельный ток Ic составляет 1200 A, а мощность модуля типа 1503GB171-3DL (6-pack) добивается 375 кВт [13-15]. Такие уровни предельных рабочих напряжений и токов у силовых модулей приводят к энергопотерям в виде тепла, что выдвигает особенные требования к анализу термических режимов, решению вопросов отвода тепла и соответственного конструктивного выполнения модулей [14].

Конструкции умственных силовых модулей

Современный умственный силовой модуль (ИСM) — это гибридный модуль, содержащий транзисторы IGBT, MOSFET, МОП либо СИТ, соединенные в определенной конфигурации, и схемы: управления, оптимизированную по чертам управления затвора для данных транзисторов; защиты от перегрузок; индикации состояния. ИСM соединяет воединыжды в одном устройстве силовой ключ (одиночный, полумостовой либо трехфазный мостовой), драйвер, оптимизированный по сигналам управления, и устройство защиты. Конструктивно силовые модули представляют собой корпус с общей базисной пластинкой, на которой расположены силовые полупроводниковые кристаллы (транзисторы, диоды и вероятные другие составляющие), электрически изолированные от монтажной пластинки (теплоотвода). На самом деле, это мультислойная конструкция с эпоксидной (в маломощных модулях) либо глиняной изоляцией (в модулях средней и большой мощности). Медные полосы связи частей модуля напыляются конкретно на изолятор, что исключает пайку. Элементы схемы управления размещены на печатной плате, которая устанавливается конкретно на силовой модуль.

В конструкции силового модуля должны сочетаться малые значения переходных термических сопротивлений и распределенных индуктивностей силовых шин с высочайшим напряжением изоляции. Все обозначенные требования реализованы в модулях, выпускаемых по технологии SKiiP (Semikron integrated intelligent Power), разработанной компанией SEMIKRON [14]. В их задняя сторона кристаллов припаяна к металлизированной поверхности изолирующей подложки при помощи специального способа пайки. Подложка выполнена из керамики DCB (диффузное соединение меди и керамики) с изоляционным материалом Al2O3 либо AlN. Изоляционный материал соединяет характеристики диэлектрика с неплохой теплопроводимостью. Нижняя плоскость подложки также металлизирована и припаяна к медной базисной пластинке модуля (SEMITRANS, SEMiX) либо прижата конкретно к теплоотводу (SKiM, SKiiP, MiniSKiiP, SEMITOP) с большой площадью термического контакта.

Конкретное соединение керамики и радиатора пайкой или механическим прижимом позволяет обойтись без медной базисной платы. В итоге существенно миниатюризируется значение суммарного термического сопротивления и перегрев кристалла. Соответственно, возрастает допустимая токовая нагрузка модулей, увеличивается надежность и долговечность. Такая разработка соединения понижает значение переходных термических сопротивлений на участке «кристалл-теплосток», позволяет улучшить термодинамические свойства модуля и увеличивает эффективность работы схемы термозащиты.

При таковой конструкции градиент температуры на участке «кристалл-теплоотвод» понижается более чем на 5-10% по сопоставлению с модулем, имеющим медное основание. При всем этом температура распределяется по кристаллу довольно умеренно, что обосновано высококачественным процессом сборки кристалла транзистора и операции крепления изолирующих пластинок к теплоотводу [14].

Термические свойства силовых модулей. Постановка задачки

Разработка SKiiP, разработанная спецами компании SEMIKRON, позволила сделать умственные модули с уникальными электронными и термическими чертами и недосягаемыми ранее показателями надежности. Особенности конструкции модулей SKiiP востребовали специального подхода к анализу их термических характеристик. Включение теплоотвода в состав модуля позволило значительно сделать лучше рассредотачивание тепла, понизить термические сопротивления пограничных слоев и повысить надежность работы схемы термический защиты. Не считая того, такая конструкция позволяет совершенно точно найти термическую модель модуля и создавать термический расчет с очень высочайшей точностью.

Главные энергопотери в силовых транзисторах появляются конкретно в кристалле. Тепло, выделяемое полупроводниковым кристаллом, отводится через кремний и многослойную структуру узла из разных материалов на теплоотвод и дальше в окружающую среду. Градиент температур меж кристаллом и окружающим воздухом является функцией рассеиваемой мощности и термических сопротивлений материалов, из которых состоит узел силового модуля.

Термический расчет узла силового модуля является одним из важных шагов процесса его разработки, позволяющий подтвердить корректность выбора и внедрения электрических компонент, метода крепления и применяемых материалов, что почти во всем определяет в предстоящем надежность работы устройства. Температура силовых кристаллов модуля в более напряженном электронном режиме охарактеризовывает качество расчета рабочих режимов и конструктивного выполнения отдельных узлов и всего устройства в целом.

Стандартная методика термического расчета позволяет найти среднюю температуру кристалла силового транзистора относительно радиатора на основании значений термических сопротивлений «кристалл-корпус» Rj и «корпус-теплоотвод» Rfhs, приводимых в технических свойствах, и величины средней рассеиваемой мощности. Для вычис-ления температуры кристалла относительно среды нужно также знать термическое сопротивление всех частей конструкции, всей цепи распространения термического потока. Данная величина находится в зависимости от площади, геометрии поверхности, толщины материала элемента и его коэффициента теплопроводимости. Прямое измерение температуры кристалла модуля всегда представляло известную трудность.

В имеющихся методиках термического расчета кристалл транзистора рассматривается как источник тепла. Для определения значений термического сопротивления частей конструкции силового модуля задают температуру в точке контакта кристалла с корпусом и мощность, рассеиваемую на кристалле. Но тепло, выделяемое конкретно на р-n-переходах снутри полупроводникового кристалла, отводится поначалу через толщу кремния самого кристалла, а потом через все слои, входящие в состав конструкции силового модуля, на теплоотвод. Потому представляется целесообразным разглядеть распространение термического потока через структуру кристалла, произвести расчет его термического сопротивления на примере кристалла СИТ и узла с его внедрением, выполненного из мультислойной паяной структуры, размещенной на теплоотводящей пластинке силового модуля, также выполнить экспериментальную проверку расчетных значений термических сопротивлений разных вариантов конструкции узла.

Особенности термического расчета полупроводниковых устройств Максимально допустимая температура p-n-перехода

Максимально допустимой температурой (Тдоп) является такая температура р-n-перехода, прямо до которой гарантируется надежность прибора и соответствие электронных характеристик техническим условиям. Это — основной термический параметр. Для устройств, сделанных из различных полупроводниковых материалов, его значение колеблется в спектре +80ы50 °С. При превышении максимально допустимого значения температуры понижается надежность прибора, ухудшаются электронные характеристики, падают пробивное напряжение и предельная частота, вырастает оборотный ток коллектора, растут собственные шумы прибора.

При предстоящем увеличении температуры даже отдельных участков активной области могут появиться необратимые процессы, связанные с дополнительным вплавлением и диффузией либо же с потерей тепловой стойкости (вторичным пробоем), приводящей к выходу прибора из строя.

Допустимыми режимами работы полупроводникового прибора будут такие, при которых его температура нигде не превосходит максимально разрешенную: Т(x,y,z,τ)≤Тдоп. Термический расчет полупроводникового прибора сводится, в сути, к проверке этого неравенства либо к формулировке ограничений по электронному режиму работы, при которых оно соблюдается [16].

Термическое сопротивление и переходная термическая черта

Термическое сопротивление (RT) — это параметр прибора, характеризующий его возможность отводить выделяющееся тепло в тепло-отвод либо среду в установившемся термическом режиме. Это понятие введено для линейных либо близких к линейным термических режимов, другими словами режимов, для которых связь меж полями температур и термических потоков линейна, по аналогии с электронным сопротивлением (R), характеризующим способность проводника проводить электронный ток.

Аналогом температуры Т является электронный потенциал и, а термического потока Р — сила электронного тока I. Закон Ома для электронных цепей RI = U1 — U2 имеет термический аналог:

РRT = ТU-ТO, (9)

где ТU и ТО — соответственно температуры источника тепла (р-n-перехода, поверхности, через которую заходит поток тепла) и стока (корпуса, теплоотвода, поверхности, через которую вытекает поток тепла).

Из формулы (9) следует, что термическое сопротивление как параметр обрисовывает в линейном приближении стационарные термические характеристики тела в двухтемпературном рассмотрении (температуры источника и стока) и измеряется в °С/Вт:

Rx = (ТU-ТO)/Р. (10)

Источником обычно является активная область прибора (р-n-переход), а стоком — среда, корпус либо теплоотвод.

Более четким двумерным описанием динамических термических параметров полупроводникового прибора в линейном приближении является задание переходной термический свойства. При всем этом расчет хоть какого термического режима сводится к интегральным преобразованиям. Переходная термическая черта определяется аналогично термическому сопротивлению:

θ(τ) = [ТU(т)-ТO]/Р, (11)

где Р — мощность, подаваемая в виде ступени, начиная с момента τ = 0.

Если мощность источника является какой-нибудь другой функцией времени Ρ(τ), то температуру рассчитывают при помощи переходной свойства θ(τ) интегрированием:

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

Термическая модель

При выборе теплофизической модели примем последующие допущения:

  • материалы, применяемые в конструкциях устройств, владеют изотропной теплопроводимостью;
  • теплофизические характеристики материалов не зависят от температуры (для мультислойных структур);
  • во внутренних частях конструкции термообмен осуществляется только за счет теплопроводимости;
  • меж слоями нет контактных сопротивлений.

Исходя из рассматриваемых выше особенностей массивных транзисторов, может быть принята последующая термическая модель (рис. 6).

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

Рис. 6. Термическая модель массивного транзистора

Несколько разнородных плоских слоев образуют многослойную пластинку, которая может иметь форму как прямоугольного параллелепипеда, так и прямого радиального цилиндра. Нижняя поверхность пластинки имеет заданную температуру Тд (другими словами находится на безупречном теплоотводе). Боковые поверхности теплоизолированы.

Температурное поле в каждом слое пластинки описывается уравнением Лапласа:

λ· (δ21/δ%2+δ2 Т/ду2+д2 T/dz2)=(γcδT)/δτ. (13)

Поместим начало координат в центр верхней поверхности пластинки, а ось z направим перпендикулярно этой поверхности в сторону безупречного теплоотвода. Тогда условия на границе структуры будут последующие:

  1. а) На плоскости z = 0 задана плотность термического потока:
  2. Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

  3. б) На нижней поверхности (z = l, где l — толщина мультислойной пластинки) имеется безупречный теплоотвод:
  4. T(x,y,l,τ) = TO. (15)

  5. в) На границе 2-ух слоев плотность потока и температура непрерывны:
  6. λ1δT/Δz|zi-0 = λi+1δT/Δz|zi+0, T(x,y,zi-0,τ) = T(x,y,zi+0,τ), (16)

    тут i — номер cлоя, считая от источника; zi— координата границы i-го с i+1 слоем.

  7. г) На боковых поверхностях имеет место ади-абатичность:
  8. ΔT/Δn = 0, (17)

    где n — нормаль к соответственной боковой поверхности.

Для прямоугольной пластинки:

Δτ/Δχ = 0 при x = ±xmax, ΔT/Δy = 0 при у = ±Утах. (18)

Для круглой пластинки:

ΔT/Δr = 0 при r = rmax. (19)

Изначальное условие (при τ = 0):

T(x,y,z,0) = To; (20)

Мощность источника:

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

где S0 — поверхность источника (согласно условию (14) расширение области интегрирования за границы S0 не меняет величину Р).

Для термический модели массивного СИТ примем, что источник тепла размещен на поверхности кристалла и имеет сложную конфигурацию (состоит из ряда обычных источников). С достаточной степенью достоверности можно принять, что в массивных СИТ все тепло, выделившееся на поверхности кристалла, отводится через нижнюю пластинку, мощность распределяется по всему источнику умеренно.

Для источника с равномерным рассредотачиванием потока (q(x,y) = q = const) будем рассматривать термическое сопротивление и переходную характеристику по наибольшей температуре:

RTmax = (Tmax — T0)/P, (22)

θmax(τ) = (Tmax(τ) — T0)P. (23)

Определение понятия эквивалента

Создатели [16] раccматривают функцию RT(z), подразумевая под ней термическое сопротивление части пластинки меж источником и сечением z = const (0 ≤^l), если в этом сечении выполнить условия безупречного теплоотвода (Т = Т0 = const). Разумеется, что RT(z) — растущая функция.

За эквивалент пластинки с данным источником тепла примем тело, владеющее последующими качествами:

  1. На верхней грани тела размещен источник, тождественный данному. Систему координат разместим относительно этого источника так же, как у пластинки (рис. 7).
  2. Материал тела анизотропен, его теплопроводимость повдоль оси z совпадает с теплопроводимостью пластинки λ(z), а в направлениях осей x и у теплопроводноcть нескончаемо велика.
  3. если в сечении этого тела с произвольным z = const соблюсти условие безупречного те-плоотвода, то его термическое сопротивление RTiz) совпадает с той же функцией для пластинки.

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

Рис. 7. Прямоугольный источник тепла мощностью Р, расположенный на поверхности пластинки

Поверхности, не занятые теплоотводом и источником, теплоизолированы.

Из этого определения следует, что температурное поле и плотность термического потока повдоль оси z в эквиваленте одномерны (рис. 8):

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

Рис. 8. Термические полосы тока в сечении изотропной пластинки от источника тепла шириной а и сечение одномерного эквивалента пластинки для такого же источника

потому просто установить связь меж его термическим сопротивлением и геометрическими размерами:

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

либо

S(z) = [λ (z)(dRT/dz)]-1, (26)

где S(z) — площадь сечения эквивалента с координатой z, Р — мощность источника.

Способ расчета термических сопротивлений массивных транзисторов и узлов силовых модулей

Расчет термического сопротивления однородной изотропной пластинки с прямоугольным источником тепла Железное основание, глиняная подложка и отдельный транзистор исходя из убеждений задачки отвода тепла являются мультислойной структурой, представляющей собой соединение однородных изотропных пластинок. Потому проведем поначалу расчет термического сопротивления Rj. однородной и изотропной пластинки с прямоугольным источником тепла.

Разглядим однородную нескончаемую изотропную пластинку шириной l, на верхней грани которой размещен прямоугольный источник тепла со сторонами a

Rτ = (Тм-То)/Р, (27)

где Р — мощность рассеяния тепла, Вт.

Как показано в [17], из анизотропной пластинки шириной l с нескончаемой теплопроводимостью в плоскости (x, y) и с теплопроводимостью однородной изотропной пластинки в направлении z можно получить ограниченное в плоскости (x, y) геометрическое тело, называемое термическим эквивалентом пластинки (ТЭ), термическое сопротивление которого равно термическому сопротивлению однородной изотропной пластинки. Термическое сопротивление однородной изотропной пластинки с прямоугольным источником a

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

Площади растекания потока тепла в нескончаемой пластинке S(l) и эквиваленте SэKJ(z) равны.

На рис. 9 а, б показаны сечения эквивалента по оси x (сторона а) и по оси y (сторона b). Поблизости источника эквивалент расползается под углом β к оси 2, а вдалеке — под углом α.

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

Рис. 9. Сечение облегченного термического эквивалента однородной изотропной пластинки в плоскостях [к, z) (a) и (у, z) (б), состоящего из 2-ух усеченных пирамид: 1 — источник тепла; 2 — безупречный теплоотвод

При l>a, b термический эквивалент состоит из 3-х усеченных пирамид с координатами по оси z: 0≤z1≤l1; l1≤22≤l2; l2≤z≤l. Обозначим m = tgβ, n = tga, φ = 0,5(1-m/n).

Координаты l1 и l2 определяются из геометрического построения в виде:

l1 = 0,5a/(n-m); l2 = 0,5b/(n-m). (29)

Из формул (29) следует, что 11 и 12 не зависят от толщины пластинки l. При изменении l эквивалент пластинки будет обхватывать области, попадающие в первую, вторую и третью пирамиды. Выражая в каждой пирамиде функции конфигурации сечения ТЭ SэKJ(z), по формуле (28) можно найти термическое сопротивление изотропной пластинки шириной l.

В случае, если l

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

Размеры растекания термического потока, прошедшего через пластинку l1:

a1(l) = a+2ml; b1(l) = b+2ml. (31)

B случае, если

ll≤l≤l2, RT(l) = RTl+RL2(l), (32)

где

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

al(l) = 2nl; bl(l) = b+2lm. (35)

В случае, если l>l2,

RT(l) = RTl+RT2+RT3(l), (36)

где RT1 определяется соотношением (33).

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

al(l) = bl(l) = 2nl. (39)

Для прямоугольного источника тепла с неизменной плотностью потока n = 1,527, m = 0,720 при оценке по средней температуре источника и m = 0,252 при оценке по наибольшей температуре [18].

По формулам (29-39) можно высчитать также значение RT квадратного источника (со стороной a0) на пластинке шириной l, если искусственно задать маленькое отличие сторон, другими словами a = a0, b = a0 + ε, где ε->0.

Случай одно-, двух-и трехстороннего ограничения нескончаемой пластинки по сторонам источника

При расчете термического сопротивления частей кристаллов, транзисторных сборок и узлов силовых модулей с внедрением СИТ нужно учесть их размещение на пластинке, при всем этом по топологии либо в процессе вычисления RT структур может образоваться отсечение термического эквивалента по одной, двум и трем сторонам источника.

  1. Разглядим однобокое отсечение ТЭ, к примеру, по стороне a (рис. 10). Расчет ТЭ по формулам (29-39) производится для источника со сторонами b и 2a. При всем этом за a примем наименьшую сторону источника, за b — огромную. В итоге для начального источника с отсечением ТЭ по одной из сторон получим:
  2. RT (a, b, l) = 2R’T (a’, b’, l).

  3. При обоестороннем отсечении ТЭ по двум взаимно перпендикулярным сторонам источника a и b (рис. 11) расчет по формулам (29-39) осуществляется для источника со сторонами a’ = 2a и b’ = 2b. В данном случае для начального термического источника:
  4. RT (a, b, l) = 4R’T (a’, b, l).

  5. Разглядим обоестороннее отсечение ТЭ по двум параллельным сторонам, к примеру, сторонам b. Сечение ТЭ по стороне a изображено на рис. 12.
  6. Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

    Рис. 10. Отсечение термического потока по одной из сторон источника

    Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

    Рис. 11. Отсечение термического потока по двум взаимно перпендикулярным сторонам источника при условии: a

    Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

    Рис. 12. Cечение одномерного эквивалента с ассиметричным представлением растекания тепла по оси x, по другой оси ζ biz) = b = const (отсечение по параллельным сторонам b)

    В данном случае RТ можно найти последующим образом:

    при l< l1

    Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

    при l> l1

    Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

    Растекание термического потока, прошедшего пластинку шириной l, произойдет до последующих размеров:

    a1(l) = a+2ml; b1(l) = b при l

    a1(l) = 2nl; b1(l) = b при l>l1. (43)

  7. При трехстороннем отсечении ТЭ по сторонам источника, к примеру, по стороне а и двум сторонам b (рис. 13), расчет RТ осуществляется для источника со сторонами a = 2b и b’ = а по формулам (40-43). Термическое сопротивление для начального источника будет определяться по формуле:

RT(α, b, l) = 2R’T(α’, b’, l) (44)

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 1

    Рис. 13. Отсечение термического потока по трем сторонам источника при условии: а1 = 2a; b1 = b = const.