כיצד משתנים טמפרטורה משפיעים על התכונות החשמליות של מכשירים חשמליים

מבוא

מכשירים אלקטרוניים כוחיים יוצרים את עמוד השדרה של מערכות חשמל מודרניות, מכוננים תעשייתיים ואנרגיות מתחדשות ועד לחשמלי רכב חשמליים ואספקת כוח הצרכנים. Transistors, diodes, thyristors, ו insulated-gate דו קוטביים (IGBTs) חייבים לפעול באופן אמין תחת מגוון רחב של מצבים סביבתיים.

השפעה על התנהגות חשמלית וגמישות

מוליכות חשמלית של Semiconductor נקבעת על ידי המוצר של ריכוז נושא, מטען נושא, וניידות. טמפרטורה משפיעה הן על הניידות של נושאי מטען וריכוז המוביל הפנימי, המוביל לשינויים משמעותיים בהתנגדות המכשיר.עבור רוב מכשירים אלקטרוניים כוח, טמפרטורה מוגברת מפחיתה את הניידות עקב הגדלת הנקה, אשר נוטה להגביר את ההתנגדות.

מובילי הניידות Degradation

(בסביבות גבישיות כמו סיליקון, סיליקון carbide (SiC), וגליון nitride (GaN), נושאת המטען מפוזרים ברטטים lattice (phonons) לעתים קרובות יותר בטמפרטורות גבוהות יותר. מנגנון פיזור פוני זה מפחית את הנתיב החופשי הממוצע של אלקטרונים וחורים, מוריד את הניידות שלהם.

אחריות והמשך

ההתנגדות הכוללת של אזור מוליכים למחצה היא פונקציה של שני ניידות וריכוז נושא.באזורים סעודים מנופחים בקלילות נפוצים במכשירים גבוהים, ההתנגדות עולה עם טמפרטורה כי ההפחתה של ניידות עולה על העלייה של נושאים פנימיים קונבנציונאליים.זה טמפרטורה חיובית coefficients של התנגדות היא ספציפית עבור פעולה מקבילים של MOSFET, כמו זה מקדם שיתוף נוכחי ומונעת תרמיים במצב הנוכחי, כגון אורת יעילה, כגון זרם חום, הוא יעיל של תאים הנוכחי, כמו גם כן, כמו גם, כגון זרם יעיל של תאים מתקדמים, כמו גם כן, יעיל מאוד, כמו גם כן, כמו גם כן, יעיל מאוד, כמו זרם יעיל של חום יעיל של חום, כמו גם כן, כמו זרם יעיל של חום יעיל של תאים מתקדמים, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו זרם יעיל של חום יעיל מאוד, כמו גם כן, כמו גם כן, יעיל מאוד, כמו גם כן, יעיל מאוד, כמו גם כן, כמו גם כן, יעיל מאוד, יעיל של תאים פגומים של תאים מתקדמים, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, יעיל מאוד, כמו גם כן, כמו

Semiconductor Bandgap Narrowing and Leakage Currents

(האנרגיה של שבבים למחצה יורדת עם טמפרטורה מוגברת.התמצת מתרחשת בגלל התרחבות לקטינים אלקטרונים מוגברת להפחית את ההבדל האנרגיה בין valence ו- מוליכות להקות.הטמפרטורות של ה-Sgap עבור סיליקון הוא בערך -0.27 meV / K, בעוד עבור SiC זה הוא סביב -0.33 meV / K הפחתה זו יש השפעה אקספונמית ואפקט על הצומת השדרה (Frint) אשר שולט ב-ficern ריכוז (Fn) אשר שולט כיום; 1Fn)

המונחים:

(ב) בפסקות כוח ובשני צמתים, הזרם ההדלפה לאחור נשלט על ידי דיפוזיה הנוכחית והדור-recombination הנוכחית באזור הטיהור, שתי המנגנונים עולים באופן אקספוננציאלי בטמפרטורה מכיוון שהם תלויים ב- NFLT:0iphtphtphtphtphtphtphtpleLT3FLT2FLT:5 ° CULI: 10 ° CI יכול גם כן להגדיל את הדליפה הגבוהה ביותר בטמפרטורה הנוכחית שלך.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

המתח השבר של צומת p-n, המבוסס על ריבוי של אננדצ'ה, הוא טמפרטורה תלויה כי הדרך החינמית של ספקים ואת ionization coefficient להשתנות עם טמפרטורה. in סיליקון, מתח ההתמוטטות בדרך כלל עולה עם טמפרטורה של כ 0.1% / C בשל ירידה של נושאת נמוכה בכיוון חופשי, הדורש שדה חשמלי גבוה יותר עבור מעצבי השפעה.

השפעות טמפרטורה על ציוד מפתח

מבנים שונים של מוליכים למחצה כוח להגיב ייחודי לתנודות טמפרטורה.הבנת התנהגויות ספציפיות למכשיר זה קריטי לבחירת הרכיב המתאים ועיצוב מעגלי הגנה יעילה.

Power MOSFET

(ב) ל-Moaphs, ל-Mos-resistance (Rirph:0DS(on)Mosaph:1) יש טמפרטורות חיוביות במגוון התפעולי האופייני, אשר מסייעות במבצע במקביל ומונעת כתמים חמים במהלך החלפת הקצב (VFLT:2thFLT 3: 3) יורדות עם טמפרטורה, בדרך כלל על ידי 2 ל- 4V / mVCend, לעומת זאת, אם לא ניתן להפחית את הטמפרטורה הגבוהה ביותר של ה-Fon.

IGBTs

IGBTs משלבת קלט עם פלט דו קוטבי, מה שהופך את התנהגות הטמפרטורה שלהם מורכב יותר.מתח ריצוף אספנימי (VirFLT:0(sat) veFLT:1) בדרך כלל מציג טמפרטורות שלילי coefficient בטמפרטורה נמוכה יותר של צינורות נוכחיים ואפקט חיובי בסתימות הנוכחית.

כוח דיודות

ב[[18]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]]]] [[[[[[19[[1924

חג המולד וטריאקים

Thyristors ו triacs רגישים לריצה הנגרמת טמפרטורה.השער גורם נוכחי (IOVAFLT:0) GGTIRFLT:1) יורד עם טמפרטורה, מה שהופך את המכשיר לקל יותר כדי להפוך בטמפרטורות גבוהות יותר.זה יכול להוביל לגורם כוזב בסביבות רועשות.

ההרחבה Thermal Runaway and Device Reliability

חימום עצמי בשילוב עם פרמטרים חשמליים רגישים לטמפרטורה יוצר את הסיכון של מפלט תרמי, תהליך משוב חיובי שיכול להרוס מכשיר כוח במלי השניות. כאשר מכשיר מתפזר כוח, טמפרטורת הצומת שלו עולה, אשר עשוי להגדיל את זרמי הדליפה או להפחית את מתחי הסף, המוביל לפיזור חשמל גבוה יותר ועלייה נוספת הטמפרטורה.

כלכלנים וכישלון

טמפרטורות הפעלה מאוישות מאיצות מנגנונים רבים של מנגנוני כישלונות באלקטרוניקה.מצב אחד נפוץ הוא חוט קצה חוט מגע הנגרמת על ידי רכיבה תרמית חוזרת והתרחבות שונה בין חוטי אלומיניום לבין סיליקון למות.עוד הוא מכר עייפות בנספח מוות ושכבות substrate 125, אשר מגביר התנגדות תרמית וגרוע יותר צומת דרכים של טמפרטורות גבוהות, לחץ יכול להפחתה של 10 ° C לעתים קרובות על ידי ירידה של טמפרטורת הפחתת אפקט.

צומת טמפרטורה ובדיקה

נחישות מדויקת של טמפרטורת הצומת חיונית להערכת אמינות.מדידה ישירה באמצעות thermocouples הוא לא מעשי במכשירי ייצור, ולכן שיטות עקיפות משמשים.הירידה של מתח קדימה של דיוודה בזרם נמוך, מתח הסף השער של מ MOSFET, או המתח על-מדינתי של IGBT ב- cabration הנוכחי לספק פרמטרים חשמליים רגישים (TS).

אסטרטגיות ניהוליות

ניהול תרמי יעיל הוא הכלי העיקרי לשמירה על ביצועי המכשיר ואמינות.המטרה היא למזער את ההתנגדות התרמית הצומת-לא-מבינטית ולשמור את טמפרטורת הצומת היטב מתחת למקסימום הדירוג, בדרך כלל 150 מעלות צלזיוס לסיליקון ו-175 מעלות צלזיוס-200 מעלות צלזיוס עבור SiC ומכשירי GaN.

טכניקות קירור פסיביות

כיור חום הם האלמנט הנפוץ ביותר קירור פסיבית יעילותם תלויה מוליכות תרמית חומרית (aluminum, נחושת, או מדפים מתקדמים), שטח פני השטח, ותנאי זרימת אוויר. כיור חום מוגדלים שטח משטח אחיד, בעוד צינורות חום יכולים להעביר חום מן המכשיר לרדיוור מרחוק.חומרי ממשק תרמי (TIM), כגון greases תרמיים, חומרים שלב, או פערים המשמשים כדי להפחית את המשקל של המכשיר תחת לחץ דם יבש, כמו גם עם חומרים למניעת קירור.

מערכות קירור Active Cooling

עבור יישומים בעלי עוצמה גבוהה, קירור אוויר מאולץ באמצעות מעריצים או מכווצים מספק העברה חום מעולה בהשוואה מערכות קירור טבעיות.נוזלים, כולל צלחות קרות קירור סיבולת, יכול להשיג אפילו התנגדות תרמית נמוכה יותר. in Electric כלי רכב חשמלי מתחמי, קירור נוזלי ישיר של מודולי IGBT עם נוזלי dielectric הוא נפוץ.

חומרים מתקדמים ואריזות

החבילה המוליכים למחצה עצמה ממלאת תפקיד קריטי בניהול תרמי. Copper איגרות חוב וחטא כסף להחליף אג"ח חוט אלומיניום מסורתי עבור התנגדות חשמלית תרמית נמוכה יותר. substrates שנעשו מ נחושת מועתעת ישירות (DBC) על אלומיניום nitride או סיליקון nitride מציעים מוליכות תרמית גבוהה והתאמה של coefficients של התרחבות תרמית כדי להפחית את הלחץ.

השלכות על עיצוב מערכת

תכנון מערכות אלקטרוניות כוח הסובלות וריאציות טמפרטורה רחבות דורש גישה ברמת מערכות. מהנדסים חייבים לבצע סימולציות תרמיות באמצעות ניתוח אלמנט סופי או דינמיקת נוזל חישובית כדי לחזות התפלגות טמפרטורה.הוראות ניתנות על ידי יצרנים צריך להיות במעקב שמרני. לדוגמה, הפעלת IGBT ב 80 אחוזים של הדירוג שלה הנוכחי ב 85 מעלות צלזיוס ambient יכול לשפר את האמינות על ידי הימנעות עייפות תרמי.

דרבי ובטיחות מרג'ינס

דרבי כולל הפעלת מכשיר מתחת לדירוג המקסימלי המוחלט שלה כדי לספק שולי בטיחות.המלצות נפוצות כוללות צמצום הטמפרטורה של הצומת עד 80% מהדירוג המקסימלי, הגבלת מתח ל 80% של VigFLT:0(BR)FLT:1, ושמירה על שיאים מתחת ל- 75% מהערך הדירוג.

סימבול ומודל

כלי השיתוף של ה-Fal-electrical מאפשרים למתכננים לחזות במדויק את האינטראקציה בין אובדן חשמל לבין תגובה תרמית.מודלים SPICE משלבים פרמטרים תלויים בטמפרטורה (כמו RevolveFLT:0DS(on)FLT:1(T), Vreaph:2thFLT 3: 3(T), ו- IFipper 3LT:0DS(D) מאפשר ניתוח בשלב זההחליפה ו-T) כדי לייעל את התנאים האפשריים.

מסקנה

(הטמפרטורות) משפיעות עמוקות על התכונות החשמליות של מכשירים אלקטרוניים של חשמל, המשפיעות על מוליכות, זרמי דליפה, מתחים התמוטטות, מהירות מעבר ואמינות ארוכת טווח (מחלוקת ניידות במשבחים) למתחים ב- IGBTs והזדקנות מואצת בכל צומת המוליכים למחצה, אפקטים תרמיים חייבים להיות מנוהלים בקפידה על ידי יישום אסטרטגיות ניהול תרמיות חזקות, כולל חימום פסיבי, קירור פעיל, קירור, ובטיחות, כמו גם יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של לחץ דם: