Цель работы: исследование теплового режима силовых полупроводниковых приборов, элементов и параметров жидкостных систем охлаждения.

Программа работы

1. Ознакомиться с экспериментальной установкой и методикой измерения.

2. Провести исследования теплового режима тиристора и системы охлаждения в режиме аккумуляции теплоты.

3. Провести исследования теплового режима тиристора и системы охлаждения в стационарном режиме работы.

4. Рассчитать основные параметры системы охлаждения и охлаждаемого прибора на основании данных, полученных в результате измерений.

5. Составить отчет по проделанной работе.

Общие понятия

Принудительное жидкостное охлаждение применяется для объектов, у которых плотность тепловых потоков на теплоотводящих поверхностях превышает 10⁴ Вт/м² ( 1).

Для охлаждения объектов, работающих продолжительное время и с большими перерывами, целесообразно применять теплоаккумулирующие системы охлаждения (СО). Они включают блок с теплоносителем, насос, систему каналов и трубопроводов, замкнутых в циркуляционный контур. Теплота, выделяющаяся в элементы, передается теплоносителю, который постепенно нагревается. Когда температура теплоносителя достигнет предельно допустимой величины, тепловыделения в объекте прекращаются.

СО, содержащие теплообменный аппарат (ТА), где теплоноситель передает теплоту в окружающее пространство, например, в воздух или другому теплоносителю (например, водопроводной воде), применяются для охлаждения элементов, в которых тепловыделения могут происходить на протяжении длительного времени.

В данной работе исследуется СО, обеспечивающая нормальной тепловой режим силового полупроводникового прибора - тиристора. Тиристорами называют полупроводниковые приборы на основе многослойной p-n-p-n структуры. Они используются в качестве преобразовательных элементов в радиоэлектронной аппаратуре, электротехнических устройствах и других областях техники для коммутации электрического тока. В последние годы общей тенденцией развития силовых полупроводниковых приборов является непрерывное повышение мощности, преобразуемой единичным прибором. При работе такого прибора мощность тепловыделений в нем превышает 1.5 кВт, и отвод теплоты представляет собой сложную задачу.

Для решения этой задачи используется воздушное, принудительное жидкостное и испарительное охлаждение. В воздушных СО в качестве теплоносителя используется воздух; при этом различают свободное воздушное охлаждение, внутреннее перемешивание воздуха в корпусе аппарата, свободную и принудительную вентиляцию. На рис. 1а схематически представлено свободное воздушное охлаждение, а на рис. 1б показана свободная вентиляция. Последняя осуществляется вследствие разности плотностей воздуха холодного снаружи и нагретого внутри аппарата, при этом в корпусе аппарата имеются специальные вентиляционные отверстия. На рис. 1в приведена возможная схема реализации внутреннего перемешивания воздуха в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), а на рис. 1г, д – принудительная вентиляция, которая может быть приточно-вытяжной, приточной или вытяжной. Приточная вентиляция осуществляется нагнетанием в корпус РЭА охлажденного и очищенного воздуха, вытяжная - вытягиванием из РЭА нагретого воздуха. В первом случае вентилятор работает в более холодном и, следовательно, более плотном воздухе и поэтому эффективнее второго случая. В приточно – вытяжной вентиляции нагнетание холодного и вытяжка нагретого воздуха осуществляется вентиляторами. Жидкостная и испарительная системы охлаждения. На рис. 1е, ж, и, изображены РЭА, внутренний объем корпуса которых заполнен жидкостью, омывающей поверхность плат, шасси, деталей и т. д. При этом теплообмен между этими элементами и жидкостью может происходить как в обычных условиях ( свободная и вынужденная конвекция ), так и при кипении жидкости. Отвод теплоты от нагретой жидкости может быть осуществлен с помощью погруженного в жидкость змеевика с теплоносителем или теплообменником, установленных на корпусе аппарата. На рис. 1з, к, схематически изображены системы жидкостного и испарительного охлаждения, в которых теплообмен между источниками теплоты Р и жидкостью происходит в условиях вынужденной конвекции в замкнутом контуре. Отвод теплоты от контура осуществляется с помощью теплообменника Т , а движение жидкости – с помощью нагнетателя Н . На рис. 1ж, схематически изображено принудительное охлаждение приборов, помещенных в жидкость.

На рис. 2а, представлен тиристор в корпусе штыревого типа, соединенный с воздушным радиатором, между ребрами которого прокачивается воздух. Такой прибор может рассеивать мощность не более 200300 Вт. Его внутренне тепловое сопротивление 0.10.2 К/Вт. Под внутренним тепловым сопротивлением полупроводникового прибора понимается его тепловое сопротивление между p-n переходом и теплоотдающей поверхностью.

Более мощные приборы выпускаются в корпусах шаблонного типа, имеющих кондуктивные тепловые проводимости к катодной и анодной сторонам полупроводниковой структуры (рис. 2б ). Для их охлаждения используются все виды теплообмена, выбор которых зависит от тепловой нагрузки и среды, поглощающей теплоту. Внутреннее тепловое сопротивление приборов шаблонного типа 0.040.07 К /Вт .

На рис. 2в, представлен силовой полупроводниковый прибор, предназначенный для коммутации токов в 1000А. Подобные приборы, такие как тиристоры и диоды, охлаждаются в групповых СО, как правило с использованием процессов кипения, которое происходит непосредственно на поверхности полупроводниковой структуры. Внутреннее тепловое сопротивление таких приборов составляет не более 0.03 К/ Вт . Выбор того или иного типа приборов определяется как передаваемой или электрической мощностью, так и условиями эксплуатации, в частности возможностями охлаждения.

Описание лабораторной установки

Общий вид лабораторной установки представлен на рис. 3.

В данной лабораторной работе исследуется тепловой режим тиристора ТБ 400 с водяным охлаждением (рис. 3). На рис. 4 представлено устройство этого тиристора с охладителями. Полупроводниковая структура  является источником теплоты. Со стороны анода теплота передается к внешней поверхности через вольфрамовую подложку 2, серебряную прокладку и герметичную мембрану 3. Со стороны катода теплота через термокомпенсирующий диск 7 и прокладки 4 передается медному электроду 8. Управление тиристором осуществляется при помощи управляющего электрода 9. Все элементы тиристора помещены в керамический корпус 5. Для охлаждения прибора к его анодной и катодной поверхности прижаты охладители 10, в которых имеются каналы для прокачки жидкости (сечения А-А). Крышки охладителей  служат одновременно контактными пластинами для подвода электрического тока. В данной работе охлаждение производится только через охладитель, установленный на катоде.

Гидравлическая схема СО представлена на рис.5. Тиристор  с охладителем 2 охлаждается жидкостью, прокачиваемой насосом 3 по замкнутому контуру, включающему также бак 4, теплообменник 5, регулировочный кран 6 и расходомер 7. Через теплообменник может прокачиваться воздух вентилятором 8. Для измерения температуры теплоносителя на входе и выходе охлаждения используются термопары "хромель - копель" 9 и 10, для измерения температуры воздуха на входе и выходе теплообменника и температуры поверхностей тиристора 13 и 14 - термопары 11 и 12 (на рис. 3 места установки этих термопар обозначены 12 и 13).

Электрическая схема лабораторной работы представлена на рис. 5. Тиристор ТВ 400 включен в общую ветвь внешних обмоток трансформатора блока питания. Эти обмотки соединены с тиристором через смежные диоды таким образом, чтобы через него протекал постоянный ток при любой фазе переменного тока во внутренней обмотке трансформатора. Мощность тепловыделений в тиристоре измеряется при помощи вольтметра, нормального шунта и милливольтметра, проградуированного в амперах. Регулирование силы тока, идущего через тиристор, производится при помощи ЛАТРа, подключенного к блоку питания.

С целью обеспечения безопасности работы и сохранности тиристора в случае его перегрева предусмотрены блокировки питания . Для этого в потенциометре КСП 4 установлен концевой выключатель, через который из потенциометра на реле МКУ 48 С подается напряжение 220 В. Если температура тиристора меньше допустимой, то при включении тумблера "Сеть" лабораторной работы замкнутся контакты реле, и питание будет подано на ЛАТР, двигатель жидкостного насоса и сигнальную лампу "Сеть". Если температура тиристора выше допустимой, то концевой выключатель будет разомкнут, и питание на реле не подается. Тумблером "Вентилятор" можно включить вентилятор во внешнем контуре теплообменника, при этом загорается сигнальная лампа на передней панели.

С целью упрощения работы с установкой питание приборов осуществляется через разъемы на правой боковой поверхности лабораторной работы. Там же находится разъем соединительных проводов от термопар.

Потенциометр КСП 4 предназначен для измерения температуры от 0 до 100C при помощи термопар "хромель-копель". Холодные спаи термопар расположены в блоке, находящемся в лабораторной работе. На нем установлен терморезистор, с помощью которого потенциометр автоматически введет поправку на температуру холодных спаев термопары. Отсчет температуры производится непосредственно со шкалы потенциометра. Термопары 1 и 2 расположены во внешнем контуре теплообменника на входе и выходе воздуха соответственно. Термопары 3 и 4 установлены на входе и выходе воды в охладителе, а термопары 5 и 6 на катодной и анодной поверхностях тиристора. Номера термопар печатаются на диаграммной ленте, на которой одно деление соответствует примерно 1 К . Для более точного определения температуры надо сопоставить запись на диаграммной ленте со шкалой прибора КСП 4.