مقدمة

وتشكل الأجهزة الإلكترونية للطاقة العمود الفقري للنظم الكهربائية الحديثة، بدءاً من المحركات الصناعية وقابليات الطاقة المتجددة إلى مضيق طاقة المركبات الكهربائية ولوازم الطاقة الاستهلاكية، ويحد المحولات، والأوعية، وأعشاب الدروع، وأجهزة تحويل ثنائي القطب، من الآثار العملية المتولدة عن عوامل التحلل، ويخفف من حدة الآثار المترتبة على عوامل الحرارة الخارجية الناشطة، التي تؤدي إلى تغيير مباشر في خصائص القدرة الكهربائية والتسرب الطويل الأجل.

الأثر على السلوكيات الكهربائية والرد

وتُحدَّد القدرة على التصرف الكهربائي لشبه الموصل بنتيجة تركيز الناقل وشحن الناقل وتنقل الناقلين، إذ تؤثر الحرارة على كل من تنقل ناقلات الشحن وتركيز الناقلات المتأصلة، مما يؤدي إلى تغييرات كبيرة في القدرة على مقاومة الأجهزة، أما بالنسبة لمعظم الأجهزة الإلكترونية، فإن ارتفاع درجة الحرارة يقلل من تنقل الناقل بسبب تفريق البطاطس المعزز، الذي يؤدي إلى زيادة المقاومة، غير أن الارتفاع المصاحب في التأثيرات الحرارية.

تدهور التنقل

In Belgianline semiconductors like silicon, silicon carbide (SiphonC), and gallium nitride (GaN), charge scatter off lattice vibrations (phonons) more frequently at higher temperatures. This phonon scattering mechanism reduces the mean free path of electrons and holes, lowering their mobility devices such as power MOSFET

التخلف والتغير في المقاومة

إن المقاومة العامة لمنطقة شبه موصل هي وظيفة تنقل وتركّز ناقلات، وفي المناطق العائمة التي تُشَعَب بشكل طفيف في أجهزة ذات نفوذ عال، تزداد القدرة على المقاومة مع ارتفاع درجة الحرارة لأن انخفاض حركة المركبات يتجاوز الزيادة في الناقلات المتأصلة، وهذا معامل الحرارة الإيجابي للمقاومة مفيد للتشغيل الموازي للأجهزة المتعددة الأطراف، حيث أنه يشجع التقاسم الحالي ويحول دون سرعة الارتداد الحراري.

Semiconductor Bandgap Narrowing and Leakage Currents

The energy bandgap of a semiconductor decreases with increasing temperature. This narrowing occurs because lattice expansion and increased electron-phonon interactions reduce the energy difference between the valence and conduction bandgap temperature coefficient for silicon is approximately -0.27 meV/K, while for SiC it is around -0.33 meV/K. This reduction has a direct and inpreonential effect

الآليات الحالية

In power diodes and bipolar junction transistors, the reverse leakage current is dominated by diffusion current and generation-recombination current in depletion region. Both mechanisms increase exponentially with temperature because they depend on ni or n()

تصنيف الفولطام

ويتوقف تعطل مركب من طراز P-n، استنادا إلى مضاعفة الفولانشي، على درجة الحرارة لأن متوسط المسار الحر للناقلات ومعامل التأيين يتفاوت بدرجة الحرارة، وفي أجهزة السليكون، فإن التحلل الحراري عادة ما يزيد بدرجة الحرارة بنحو 0.1 في المائة/س بسبب انخفاض درجة الحرارة، مما يتطلب مجالا كهربائيا أعلى للتأثير على التخميد.

آثار التدرج على أجهزة السلطة الرئيسية

وتستجيب هياكل مختلفة لشبه الموصلات الكهربائية بشكل فريد إلى تفاوتات الحرارة، ففهم هذه السلوكيات الخاصة بالأجهزة أمر حاسم لاختيار العنصر المناسب وتصميم دائرة حماية فعالة.

أجهزة إطفاء الطاقة

In power MOSFETs, the on-resistance (RDS(on)) has a positive temperature coefficient in the typical operating range, which aids in parallel operation and prevents hot spots during conduction. However, the threshold voltage (Vth

IGBTs

ويجمع الفريق العامل بين مدخلات من نظام الرصد المتعدد الأطراف وبين ناتج ثنائي القطب، مما يجعل سلوك درجة حرارته أكثر تعقيداً، كما أن متغيرات التحلل في المركب (V) (Sat) ) تُظهر عادة معامل حرارة سالب في الكثافة الحالية وعامل إيجابي في الكثافة العالية الحالية.

الطاقة

In fast recovery diodes and Schottky diodes, the forward voltage drop (VF) has a negative temperature coconuter devices, meaning V]F[F)) as temperature rises.

أطباء وترايك

ويعاني المُستبدِدون والمُثَرِّثون من خطر الإضرار بالحرارة، إذ إنَّ مُشغل البوابة الحالي (I) ] ينخفض بدرجة الحرارة، مما يجعل من السهل تشغيل الجهاز عند درجات حرارة أعلى، مما يؤدي إلى تفجر زائف في بيئات مُزعجة.() ويُبقي جهاز التحكم الحالي (I)

Thermal Runaway and Device Reliability

ويؤدي التسخين الذاتي، بالاقتران مع البارامترات الكهربائية الحساسة من حيث الحرارة، إلى خطر حدوث سباق حراري، وهو عملية إيجابية للتغذية يمكن أن تدمر جهازا للطاقة في الثانية المليمونة، وعندما يفرط الجهاز الطاقة، وارتفاع درجة حرارة التقاطع، مما قد يزيد من تيار التسرب أو يقلل من حجم العتبة، مما يؤدي إلى ارتفاع في مستوى انقطاع الطاقة وزيادة درجة الحرارة، وإذا لم يتمكن النظام الحراري من إزالة الحرارة بسرعة كافية، فإن الجهاز سيتجاوز الحد الأقصى.

التعجيل بآليات الشيخوخة والفشل

وتعجل درجات الحرارة المرتفعة في التشغيل آليات الفشل المتعددة في أجهزة توليد الطاقة الكهربائية، ومن بين أنماط الفشل الشائعة رفع أسلاك السندات نتيجة للتقلبات الحرارية المتكررة والتوسع المتباين بين أسلاك الألومنيوم وموت السيليكون، ومن بين العوامل الأخرى التي تباع في طبقة الديوترات وطبقات الدونتر، مما يزيد من المقاومة الحرارية ويزيد من درجة الحرارة الذاتية.

قياس درجة الحرارة ورصدها

ومن الضروري تحديد درجة الحرارة المتقطعة بدقة من أجل تقييم الموثوقية، فالقيام المباشر عن طريق أجهزة الحرارة المدمجة غير عملي في أجهزة الإنتاج، وبالتالي تستخدم أساليب غير مباشرة، ويسمح الخفض الأمامي لمستوى منخفض من الحرارة، أو الحد الأقصى لمستوى الحد الأقصى من عمر نظام الرصد العالمي، أو التقلبات في نظام قياس الحرارة الحالي، بأن يخفض إلى حد كبير من مستويات الحرارة الحالية.

استراتيجيات الإدارة الحرارية

والإدارة الحرارية الفعالة هي الأداة الرئيسية للحفاظ على أداء الأجهزة وموثوقيتها، والهدف هو التقليل إلى أدنى حد من المقاومة الحرارية المتقاطعة إلى الطموح، وإبقاء درجة الحرارة المتقطعة أدنى بكثير من الحد الأقصى المحدد، وعادة 150 درجة مئوية للسيليكون و175 درجة مئوية - 200 درجة مئوية لأجهزة السيك والغاز.

تقنيات التبريد السلبية

إن مصارف الحرارة هي أكثر عناصر التبريد السلبية شيوعاً، إذ تتوقف فعاليتها على السلوك الحراري المادي (اليوم، النحاس، أو المركب المتقدم)، والمنطقة السطحية، وظروف تدفق الهواء، وتزيد البواليع الحرارية الفنلندية من المساحة المحتوية على التكتل الحراري، بينما يمكن أن تنقل الأنابيب الحرارية من الجهاز إلى جهاز استشعاعي بعيد.

نظم التكرير النشطة

وبالنسبة لتطبيقات الطاقة العالية، فإن التبريد القسري للهواء باستخدام المراوح أو المفجرات يوفر نقلا حراريا أعلى مقارنة بالتكفير الطبيعي، ويمكن أن تحقق نظم التبريد السائل، بما في ذلك الأطباق الباردة وتبريد الازرق، مقاومة حرارية أقل، وفي أجهزة نقل المركبات الكهربائية، فإن التبريد المباشر للسائل في وحدات إي جي بي تي التي تحتوي على سوائل حمولة الديكلية أمر شائع.

المواد المتقدمة والتعبئة

250- وتؤدي مجموعة المواد شبه الموصلية ذاتها دوراً حاسماً في الإدارة الحرارية، حيث أن ربط الشظايا بين الشظايا والفضة يحل محل السندات التقليدية لأسلاك الألومنيوم من أجل المقاومة الكهربائية والحرارية الأقل، كما أن المواد الفرعية التي تُجرى من النحاس المباشر أو النيتريد النيوم أو النتريد السيليكوني توفر قدرة عالية على معالجة الحرارة وتضاهي عوامل التوس الحرارية في بيئة الإجهاد.

الآثار المترتبة على تصميم النظام

ويتطلب تصميم نظم إلكترونية للطاقة تتسامح مع تفاوتات درجات الحرارة الواسعة اتباع نهج على مستوى النظم، ويجب على المهندسين أن يقوموا بعمليات المحاكاة الحرارية باستخدام تحليل العناصر المحددة أو ديناميات السوائل الحاسوبية للتنبؤ بتوزيع درجات الحرارة، وينبغي اتباع المبادئ التوجيهية للتعريف التي يقدمها المصنعون بصرامة، وعلى سبيل المثال، فإن تشغيل مادة إي جي بي تي بنسبة 80 في المائة من التيار المصنف في إطار التركيز 85 درجة مئوية من الأيبيرنيزيون يمكن أن يحسن الموثوقية بتجنب الرط الحراري.

المريخ

ويشمل التحلل تشغيل جهاز يقل عن الحد الأقصى للتقديرات المطلقة لتوفير هامش الأمان، وتشمل توصيات التثبيت المشتركة تخفيض درجة الحرارة الزجرية إلى ما لا يزيد على 80 في المائة من الحد الأقصى للتصنيف، والحد من الفولط إلى 80 في المائة من V(BR)()، وإبقاء التواريخ دون 75 في المائة من القيمة المقدرة، وتُعزى هذه الهوامشات إلى تطبيقات التكسيد، ودرجة في درجات الحرارة، ودرجة في عدد الحرارة، ونسبة الحرارة، ونسبة مئوية.

المحاكاة والنمذجة

Thermal-electrical co-simulation tools allow designers to accurately predict the interaction between electrical losses and thermal response. SPICE models incorporating temperature-dependent parameters (like RDS(on)(T), Vth(T), and I[FleT:4

خاتمة

(أ) أن تُحدث تغيرات في درجة الحرارة تأثيراً عميقاً في الممتلكات الكهربائية للأجهزة الإلكترونية، والتأثير على السلوك، وتيار التسرب، وفولاذ البطاقات، وسرعة التبديل، وموثوقية طويلة الأجل، ومن تدهور حركة الناقلات في قطاع الطاقة الكهربائية إلى التحولات في نطاق الترددات العالية، ومن ثم تتسارع وتيرة التصاميم في جميع المقاطعات شبه الموصلية، يجب إدارة الميزات الحرارية إدارة دقيقة.