Рис. 6.1. Тепловая схема тиристора, соединенная с системой охлаждения: / - тиристор; 2, 4 - припой; 3 - молибден; 5 - медь; 6 - охладитель

В реальном приборе тиристор соединяется с системой охлаждения через электроды и компоненты корпуса. Например, на рис. 6.1 показан прибор, в котором тепло отводится через молибденовые и медные слои. Точный анализ потока тепла этой или любой другой структуры можно выполнить, используя обобщенное уравнение теплопроводности

дТ г.

(6.5)

(6.6)

Здесь Dth коэффициент тепловой диффузии; do - плотность материала; Qu, - тепловая энергия, выделяющаяся в единице объема. Уравнение (6.5) может быть решено численными методами, что обеспечивает получение точных данных о температуре тиристора.

Однако в большинстве случаев для определения потока тепла тепловая схема заменяется ее электрическим эквивалентом. Аналогом электрической схемы теплового потока, показанной на рис: 6.1, является схема, изображенная на рис. 6.2. Тепловое сопротивление и тепловая емкость вычисляются для всех компонентов схемы. Тепло, выделяемое, тиристором, изображается источником тока, который осуществляет распределение падения напряжения вдоль аналоговой схемы, соответствующее распределению температуры. Таким образом, тепловой поток можно определить с помощью теории линейных цепей непосредственно для расчета этой эквивалентной цепи.

so

Генератор тепла

Окружающая среда

Рис. 6.2. Электрический аналог тепловой схемы прибора, показанный на рис. 6.1. 182

в установившемся режиме без учета емкостей расчеты еще больше упрощаются. В этом случае эквивалентная схема становится чисто резистивной и превышение температуры тиристора над температурой окружающей среды характеризуется произведением рассеиваемой мощности и суммарного сопротивления (/т - сумма всех тепловых компонент тепловых сопротивлений). Тепловые характеристики для материалов, используемых в силовых тиристорах, приведены в табл. 5.1. Эти сведения могут быть использованы для расчета тепловых параметров некоторых типов тиристоров.

6.2. Проектирование корпусов силовых тиристоров

Критерий, на основании которого осуществляется выбор корпуса тиристоров данного типа, в значительной степени определяется условиями применения прибора и его вольт-амперной характеристикой. Исходя из условий применения прибора выбираются его способы охлаждения, занимаемый объем, характеристики по мощности, окружающая рабочая температура и стоимость. На основании вольт-амперной характеристики тиристора определяются габариты корпуса, требования к изоляции, способ монтажа, система контактов и некоторые детали внутри корпуса.

При проектировании корпусов тиристоров необходимо учитывать следующие ограничения.

1. Корпус должен обладать низкими тепловым и электрическим сопротивлениями между кремниевой пластиной и внешним контактом.

2. Корпус должен иметь высокую прочность. Речь идет об обеспечении механической прочности, стойкости к вибрации и удару и требуемого уровня сопротивления термической усталости.

3. Корпус должен быть герметичным, чтобы можно было помещать в рабочую среду. С одной стороны, требуется высокий уровень герметичности, поскольку рабочая среда, в которую он помещается, не всегда известна, а с другой стороны, исходя из соображений экономии изготовители могут поставлять негерметичные корпуса, что указывается в сопроводительной документации.

4. Наряду с другими правилами конструирования следует иметь в виду стоимость материалов и цену сборки. В большинстве случаев из-за того, что необходимо учитывать стоимость материалов, не всегда правильно выбирают оптимальное тепловое сопротивление или прочность.

Хотя существуют различные варианты корпусов тиристоров, их все можно объединить в пять основных типов, а именно: дискретные пластмассовые, пластмассовые модульные, штыре-

* Рис. 6.3. Дискретные пластмассовые тиристоры

вые, С ПЛОСКИМ основанием и таблеточные. Примеры этих корпусов показаны на рис. 6.3-6.7.

Поскольку дискретный пластмассовый (рис. 6.3) корпус не герметичен, тиристорная пластина должна иметь подходящую защиту фаски, для чего используется стекло или твердая пассивация Напряжение пробоя прибора обычно ограничивается величиной менее 1600 В. Этот тип корпуса является идеальным для дешевых силовых тиристоров, которые, например, предназначаются для бытовой техники. Пластмассовые корпуса имеют низкую стоимость и широко применяются по двум причинам: во-первых, из-за низкой стоимости самих корпусов, которые можно производить большими сериями, и, во-вторых, благодаря возможности использования техники автоматической сборки.

Пластмассовые модули по виду напоминают дискретный прибор, однако могут состоять из двух тиристоров или комбинации тиристора и диода в виде субсборки инвертора (модулятора) [Neidig, 1984]. Эти приборы монтируются на изолирующем основании с использованием алюминиевой керамики в качестве изолирующей прокладки. Алюминиевая керамика обеспечивает хорошую электрическую изоляцию между выпрямительным элементом и основанием прибора. Ее теплопроводность также является достаточно высокой (хотя и не так высока, как у окиси бериллия или алмаза), а коэффициент линейного расширения близок к коэффициенту линейного расширения кремния, что позволяет свести до минимума проблему термической усталости.

Новой интересной альтернативой материала для изолирующей прокладки является нитрид алюминия. Этот материал может заменить алюминиевую керамику и, вероятно, будет широко использоваться в будущем. Алюминиевая керамика имела преимущественное применение, потому что ее можно непосредствен-