13. REZYSTANCJA TERMICZNA TRANZYSTORÓW

13.1. Definicje podstawowe

Poprawna i niezawodna praca przyrządu półprzewodnikowego zależy od dobrej wymiany ciepła generowanego przez przyrząd z otoczeniem. Wymiana ta uwarunkowana jest głównie przewodnością cieplną półprzewodnika i materiałów konstrukcyjnych obudowy oraz decyduje o temperaturze wewnętrznej w złączach p-n. Dopuszczalna temperatura złącza określa maksymalną moc, jaka może być bezpiecznie rozproszona w otoczeniu nie doprowadzając do przebicia cieplnego złącza kolektorowego albo częstego przetopienia połączenia drutowego bazy lub emitera wewnątrz obudowy.

W tranzystorze pracującym stacjonarnie w konfiguracji WE całkowita moc wydzielająca się w postaci strumienia ciepła wynosi
gdzie: IE i UBE oraz IC i UCB - prądy i napięcia na złączach E-B i B-C, zaś IB i rBB' - prąd i rezystancja rozproszona bazy. Zasadnicza część tej mocy wydziela się na spolaryzowanym zaporowo złączu B-C. Zatem wystarczy często przyjąć, że
Ciepło to jest przekazywane od złącza baza-kolektor tranzystora poprzez jego obudowę i radiator do otoczenia w procesach przewodnictwa termicznego, konwekcji i promieniowania. Sprawność przekazywania ciepła jest określona rezystancją termiczną poszczególnych elementów konstrukcyjnych na drodze strumienia cieplnego oraz pojemnością cieplną i temperaturą otoczenia - zazwyczaj powietrza - odbierającego i rozpraszajacego moc cieplną
[K/W] gdzie: Tj - temperatura złącza B-C (j - junction), Ta- temperatura otoczenia (a- ambient), którym zwykle jest powietrze. Jest to wielkość addytywna, którą można rozdzielić na rezystancę termiczną pomiędzy złączem a obudową oraz rezystancję termiczną pomiędzy obudową (radiatorem) a otoczeniem
Wartość RT,j-c określona jest warunkami przewodnictwa termicznego poprzez poszczególne warstwy i elementy konstrukcyjne, zaś RT,c-a - głównie warunkami konwekcji ciepła do otaczającego powietrza.

Promieniowanie jest efektywnym procesem przekazywania ciepła do otoczenia przy dużych różnicach temperatur obudowy (lub radiatora) i powietrza. Znajomość parametrów procesów cieplnych jest szczególnie ważna w eksploatacji tranzystorów mocy.

Specyfikacje termiczne przyrządu półprzewodnikowego określają graniczne temperatury pracy złącza Tj, zwykle od -40 oC do +125oC, a w tranzystorach mocy nawet do 175 oC, oraz dopuszczalne temperatury obudowy od -40 oC do +100 oC. W normalnych standardach temperatura otaczającego przyrząd powietrza jako medium chłodzącego nie powinna przekraczać +55 oC. Zatem sensowne jest zdefiniowanie rezystancji termicznej przyrządu dla jego maksymalnej temperatury złącza Tjmax względem temperatury referencyjnej TR

Temperaturą referencyjną może być temperatura obudowy Tc lub otoczenia Ta. Wartości rezystancji termicznej, niestety, zależą od prądu i napięcia w punkcie pracy IC i UCE, a nie od  ich iloczynu. Przy stałej mocy rezystancja termiczna maleje nawet dwukrotnie wraz ze wzrostem wartości prądu kolektora. Przy dużym napięciu i małym prądzie gęstość mocy w złączu jest bardziej zlokalizowana; tworzy się ścieżka prądowa o dużej gęstości, wokół której wydziela się zasadnicza ilość ciepła, czyli powstaje gorące miejsce wtórnego przebicia cieplnego (hot-spot).

Producenci w katalogach przedstawiają w płaszczyznie charakterystyk wyjściowych dla WE; iC= iC(u_CE), tzw. obszar bezpiecznej pracy tranzystorów mocy (SOA - Safe Operating Area), w którym gwarantowana jest niezawodna praca przyrządu, jeżeli nie zostanie przekroczona maksymalna temperatura złącza Tjmax podczas jego eksploatacji - rys.13.1. Stałoprądowe granice tego obszaru w  rzeczywistości są określone rezystancją termiczną przyrządu, ponieważ granicę termiczną wyznacza linia, wzdłuż której temperatura złącza kolektorowego osiąga wartość maksymalną. Zatem według (16.4a), mamy

gdzie (ICUCE)gr definiuje miejsce geometryczne punktów, w kórych złącze osiąga wartość Tjmax. Jeżeli założymy, że RT,Tjmax-R ma wartość stałą, niezależną od temperatury, na przykład dzięki dobrze zaprojektowanemu radiatorowi, zapewnia- jącemu stałą wartość T_jmax , to dla danej T_R na granicach obszaru moc jest stała
albo
W ten sposób prostoliniowa zależność o nachyleniu -1 zachodzi pomiędzy
a 
, jeżeli RT,jmax-R ma wartość stałą. Ilustruje to rys.13.1, gdzie odcinek BC ma nachylenie -1. Wyszczególniona granica termiczna obszaru bezpiecznego biegnie zwykle od maksymalnej dopuszczalnej wartości prądu kolektora IC,max do pewnej niższej wartości IC, przy której zaczyna się granica na odcinku CD o nachyleniu od -1,5 do -2. Jest to granica przebicia wtórnego. Końcowy odcinek linii pionowej DE jest określony maksymalną wartością UCE=UCEO. Należy zauważyć, że obszar pracy bezpiecznej zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury otoczenia.

Maksymalna temperatura złącza T_j,max oraz rezystancja termiczna przyrządu półprzewodnikowego w danej obudowie jednoznacznie określają maksymalną moc cieplną, jaka może być generowana przez przyrząd w danej temperaturze otoczenia T_a - zgodnie z zależnością liniową (rys.13.2.)

Temperatury obudowy TC i otoczenia (powietrza) Ta są wielkościami łatwo mierzalnymi, natomiast temperatura złącza Tj jest niedostępna dla bezpośredniego pomiaru. Dlatego też Tj musi być mierzona pośrednio przy pomocy wybranego parametru elektrycznego tranzystora, najlepiej w miarę liniowo zależnego od temperatury.

---