Математическое моделирование, расчет и оценка параметров эффективных охладителей мощных силовых полупроводниковых приборов

• Автор: Саванин, Антон Сергеевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Саранск
• Количество страниц: 175 с.

Содержание работы

Список сокращений и обозначений

Введение.
1 Изучение и анализ исследований по проблемам разработки и испытаний охладителей мощных силовых полупроводниковых приборов.
1.1 Обзор видов охлаждения и конструкций охладителей для мощных силовых полупроводниковых приборов
1.2 Анализ требований к надежности и охлаждению полупроводниковых приборов в зависимости от тепловых режимов работы.

1.3 Анализ существующих методов измерения тепловых сопротивлений охладителей.

1.4 Обзор программ и методов расчета тепловых сопротивлений охладителей.

1.5 Проблемы разработки и испытаний эффективных охладителей мощных силовых полупроводниковых приборов.
2 Моделирование и разработка программных средств для анализа и оптимизации параметров охладителей

2.1 Концепция построения математической модели

2.2 Описание объекта моделирования
2.3 Разработка математической модели, описывающей теплообменные процессы, протекающие в охладителе
2.4 Реализация математической модели в виде программ для ЭВМ
2.5 Проверка адекватности математической модели.
3 Разработка испытательного стенда для исследования тепловых характеристик охладителей мощных силовых полупроводниковых приборов
3.1 Задачи разработки испытательного стенда.
3.2 Разработка аппаратной части испытательного стенда.
3.3 Разработка программного комплекса по управлению испытательным стендом
3.4 Метрологическое обеспечение разработки испытательного стенда.
4 Оптимизация и испытания охладителей, исследование результатов моделирования
4.1 Анализ и оптимизация массогабаритных параметров охладителей
4.2 Исследование результатов анализа и оптимизации охладителей
4.3 Оценка точности проведенных экспериментов.
Заключение
Список использованных источников


К достоинствам таблеточных МСПП, с точки зрения обеспечения нормального температурного режима работы, относится возможность двустороннего теплоотвода и обеспечения за счет этого высокой плотности теплового потока от кремниевого диска, а также повышенная нагревоциклостойкость, обеспечиваемая путем применения прижимных контактов. Охлаждающие устройства для воздушного охлаждения представляют собой оребрённые элементы с сильно развитой поверхностью, в комплект которых входят токопроводящие шины к МСПП и крепежные детали. Сами охладители изготавливаются из стандартных прессованных алюминиевых профилей, имеющих разнообразное сечение. Для диодов относительно малой мощности эти охладители имеют малые массу и габаритные размеры. В случае таблеточных МСПП обычно используется двустороннее охлаждение. Следует отметить, что использование воздушных охладителей по ТУ -9. В упрощенном варианте конструкция жидкостного охладителя содержит резьбовое отверстие для крепления MCI 1 и два штуцера для входа и выхода жидкости. Как отмечено в ТУ -9. В последние годы наблюдается процесс активного внедрения в силовую полупроводниковую технику систем охлаждения с промежуточным двухфазным теплоносителем. При этом в качестве теплоносителя используют жидкость, находящуюся или в полости индивидуального охладителя, или в полости бака с полупроводниковым преобразовательным блоком. Передача теплоты при таком способе охлаждения осуществляется в замкнутом испаритсльно - конденсационном цикле. В настоящее время всеми мировыми лидерами по производству силовых компонентов предлагается большое количество разнообразных охладителей, которые различаются своей конструкцией, способом крепления, значением теплового сопротивления и способом охлаждения. Анализ работ, посвященных охлаждению МСПП и применению охладителей, под авторством Рабинерсона A. A., Мочалова Б. В, Дульнева Г. Н, Ашкинази Г. А. [1, 2, 3] и др. МСПП. Данное обстоятельство подтверждается и рекламными проспектами и опросными материалами компаний SEMIKRON, IXYS, EPCOS AG, Электрум AB, ЗАО «Компел» и другие, где чаще всего потребителю предлагаются те же самые конструктивные исполнения охладителей МСПП. Критерием выбора охладителей воздушной системы охлаждения является их надежность и хорошие температурные характеристики. В качестве примера на рисунках 1. SEMIKRON []. Рисунок 1. Рисунок 1. Рисунок 1. Рисунок 1. Рисунок 1. Как видно из представленных рисунков, все современные охладители с воздушным охлаждением имеют сильно развитые оребренныс поверхности, позволяющие эффективно рассеивать тепло. Охладители могут изготавливаться как с односторонним оребрением, так и с двусторонним, что улучшает их теплоотдачу. Количество ребер, их форма и размеры являются индивидуальными характеристиками представленных охладителей. Именно эти характеристики обуславливают эффективность охлаждения. Именно тепловое сопротивление и массогабаритные параметры различных конструкций охладителей являются предметом научных изысканий при разработке эффективных систем охлаждения. Влияние охладителей на характеристики мощных силовых полупроводниковых приборов, принципы нормирования и измерения параметров охладителей, а также существующие методы проектирования, разработки и испытаний рассматриваются в следующих разделах. При разработке охладителей СПП, как правило, учитываются требования нормативно-технической документации на силовые полупроводниковые приборы в части обеспечения оптимального теплового режима работы. Оптимальный тепловой режим работы СПП является одним из основных факторов обеспечения надежности и высокой производительности силовой полупроводниковой техники. Известно, что полупроводниковые приборы наиболее чувствительны к изменению температуры окружающей среды, поэтому в работах под авторством Семенова Г. М., Чсбовского О. Г., Моисеева Л. Г., Недошивина Р. П., Чернышева A. A., Иванова В. И., Аксенова А. И., Глушкова Д. Н. [, ] и др. СПП и способам их охлаждения. Проанализировав характеристики отказов силовых полупроводниковых приборов, можно заключить, что особое внимание следует уделять охлаждению прибора и обеспечению стабильности его температуры. Влияние изменения температуры проявляется не только в изменении электрических параметров полупроводниковых приборов, но и в снижении их надежности. В качестве примера на рисунке 1.