vdgtuВестник Дагестанского государственного технического университета. Технические наукиHerald of Dagestan State Technical University. Technical Sciences2073-61852542-095XDaghestan State Technical University10.21822/2073-6185-2020-47-1-30-38vdgtu-766Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ, МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER, METALLURGICAL AND CHEMICAL MECHANICAL ENGINEERINGТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ МОЩНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ РЭАTHERMOELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES FOR THERMAL STABILISATION OF REA POWERFUL TRANSISTORSИсмаиловТ. А.IsmailovT. A.

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и общей электротехники, заслуженный деятель науки РФ, Президент ДГТУ

367026, г. Махачкала, пр. И. Шамиля, 70

Dr. Sci. (Technical), Prof., Department of Theoretical and General electrical Engineering. Honored Worker of Science of the Russian Federation, President DSTU

70 I. Shamilya Ave., Makhachkala 367026

dstu@dstu.ruШахмаеваА. Р.ShakhmaevaA. R.

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры теоретической и общей электротехники

367026, г. Махачкала, пр. И. Шамиля, 70

Cand.Sci. (Technical), Prof., Assoc.Prof., Department of Theoretical and General Electrical Engineering. Electrical Engineering

70 I. Shamilya Ave., Makhachkala 367026

fpk12@rambler.ruИбрагимоваА. М.IbragimovaA. M.

соискатель кафедры теоретической и общей электротехники

367026, г. Махачкала, пр. И. Шамиля, 70

Аpplicant, Department of Theoretical and General Electrical Engineering

70 I. Shamilya Ave., Makhachkala 367026

ibrasya@mail.ruДагестанский государственный технический университетРоссияDaghestan State Technical UniversityRussian Federation2020200420204713038Copyright © Исмаилов Т.А., Шахмаева А.Р., Ибрагимова А.М., 20202020Исмаилов Т.А., Шахмаева А.Р., Ибрагимова А.М.Ismailov T.A., Shakhmaeva A.R., Ibragimova A.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.dgtu.ru/jour/article/view/766Резюме

Резюме. Целью исследования является анализ проблемы отвода выделяющего тепла в мощных транзисторах и разработка устройств для термостабилизации мощных транзисторов в радиоэлектронной аппаратуре.

Метод

Метод. Предложен способ испытания мощных транзисторов при использовании устройства обеспечения заданной температуры в объеме статирования двухпозиционным регулятором температуры и модели устройств для термостабилизации мощных транзисторов. Предложенные устройства обеспечивают высокую точность термостабилизации мощных транзисторов в системе радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), связанную с высокой точностью поддержания температуры на заданном уровне термоэлектрической батареей.

Результат

Результат. Для обеспечения требуемых тепловых режимов мощных транзисторов разработаны конструкции устройств, повышающих точность термостабилизации мощных транзисторов, с высокой эффективностью, малым потреблением энергии и небольшими размерами.

Вывод

Вывод. По результатам экспериментальных исследований были получены оптимальные конструкции устройств, предназначенных для термостабилизации элементов РЭА, рассеивающих при своей работе значительные мощности. Техническим результатом устройств является повышение точности термостабилизации элемента РЭА за счет использования рабочего вещества, температура плавления которого совпадает с температурой термостабилизации элемента РЭА. Разработанные устройства обладают следующими функциями работы: в зависимости от электрических сигналов с датчиков температуры, до которых переместилась твердая фаза рабочего вещества, будет последовательно отключать секции термоэлементов термоэлектрической батареи; батарея термоэлектрического модуля (ТЭМ) отводит избыток тепла от термостабилизирующего вещества, сохраняя при этом необходимую температуру элемента РЭА, избыток тепла от тепловыделяющих спаев батареи ТЭМ отводится теплообменником; при плавлении рабочего вещества температура тонкостенной металлической емкости и соответственно температура элемента РЭА будет поддерживаться при постоянном значении, равном температуре плавления рабочего вещества. 

Abstract

Abstract. Aim. The aim of the study is to analyse the problem of heat dissipation in high-power transistors and develop devices for their thermal stabilisation when used in electronic equipment.

Method

Method. A method is proposed for testing power transistors using a device to to ensure thermal stabilisation in the stating volume by means of a two-position temperature controller along with a model for the use of these components in electronic devices. The proposed devices support high thermal stabilisation accuracy of power transistors in a radioelectronic device system allowing temperature to be maintained at a given level with high accuracy by means of a thermoelectric battery.

Results

Results. Device designs were developed for increasing the accuracy of thermal stabilisation of power transistors with high efficiency, low energy consumption and small size.

Conclusion

Conclusion. Based on the results of experimental studies, optimal designs for devices for the thermostabilisation of radioelectronic device components that dissipate significant power during their operation are presented. The devices can be used to increase the accuracy of thermal stabilisation of the radioelectronic device element by means of a working substance whose melting point coincides with its thermal stabilisation temperature. The developed devices have the following functions: the thermoelectric battery sections of the thermoelectric battery will be sequentially disconnected depending on the electrical signals from the temperature sensors to which the solid phase of the working substance has moved. The battery of the thermoelectric module (TEM) removes excess heat from the heat-stabilising substance while maintaining the required temperature of the radioelectronic device element. Excess heat from the heat-generating junctions of the TEM battery is removed by the heat exchanger. During melting of the working substance, the temperature of the thin-walled metal container – and, accordingly, the temperature of the CEA element – can be maintained at a constant value equal to the melting temperature of the working substance. 

мощные транзисторырадиоэлектронная аппаратуратермостабилизациятермостатированиетемпература плавлениятокораспределениеpower transistorselectronic equipmentthermal stabilisationtemperature controlmelting temperaturecurrent distributionReferencesАнатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Справочник. Киев: Наукова Думка, 1979. 768 с.Anatychuk L.I. Termoelementy i termoelektricheskie ustroystva. Kiev: Naukova Dumka; 1979. 768 s. [Anatychuk L.I. Thermal elements and thermal-electric devices. Kiev: Naukova Dumka; 1979. 768 p. (In Russ.)]Булат Л.П. Прикладные исследования и разработки в области термоэлектрического охлаждения в России // Холодильная техника, №7, 2009. С. 34-37.Bulat L.P. Prikladnye issledovaniya i razrabotki v oblasti termoelektricheskogo okhlazhdeniya v Rossii. Kholodil'naya tekhnika. 2009; 7:34-37. [Bulat L.P. Applied studies and developments in the area of thermal-electric cooling in Russia. Kholodilnaya tekhnika. 2009; 7:34-37. (In Russ.)]Вайнер А.Л., Спокойный Ю.Е., Лукишер Э.М., Сомкни М.Н. Проектирование термоэлектрических микрохолодильников глубокого охлаждения для радиоэлектроники // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО, 1970. № 3.Vainer A.L., Spokoiniy Yu.E., Lukisher E.M., Somkni M.N. Proektirovanie termoelektricheskih mikroholodilnikov glubokogo ohlazhdeniya dlya radioelectroniki. Voprosy radioelectroniki. Ser. TRTO, 1970 № 3. [Vainer A.L., Spokoiniy Yu.E., Lukisher E.M., Somkni M.N. Design of thermoelectric micro-refrigerators of deep cooling for radio electronics. Voprosy radioelectroniki. Ser. TRTO, 1970. No 3. (In Russ.)]Воронин А.Н., Гальперин В.Л., Зорин И.В., Кудасов А.С. Термоэлектрический холодильник для радиоэлектронной аппаратуры ТЭХРА-1 // Приборы и техника эксперимента, 1988. № 5. С. 212-214.Voronin A.N., Galperin V.L., Zorin I.V., Kudasov A.S. Termoelectricheskiy holodilnik dlya radioelectronnoy apparatury TEHRA-1. Prybory i tehnika eksperimenta, 1988. – № 5. – S. 212-214. [Voronin A.N., Galperin V.L., Zorin I.V., Kudasov A.S. Thermoelectric refrigerator for electronic equipment TEHRA-1. Prybory i tehnika eksperimenta, 1988. № 5. pp. 212-214. (In Russ.)]Дульнев Г. И. Тепло-и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984. 247 с.Dulnev G.I. Teplo- i massoobmen v radioelektornnoy apparature. М.: Vysshaya shkola, 1984. – 247 s. . [Dulnev G.I Heat and mass transfer in electronic equipment. М.: Vysshaya shkola, 1984. 247 p. (In Russ.)]Исмаилов Т.А. Термоэлектрические полупроводниковые устройства и интенсификаторы теплопередачи. СПб.: Политехника, 2005. 534 с.Ismailov T.A. Termoelektricheskie poluprovodnikovye ustroystva i intensifikatory teploperedachi. SPb.: Politekhnika; 2005. 534 s. [Ismailov T.A. Thermal-electric semiconductor devices and heat transfer intensifiers. Saint-Petersburg: Politekhnika; 2005. 534 p. (In Russ.)]Исмаилов Т.А., Шахмаева А.Р. Полупроводниковое термоэлектрическое устройство для испытания мощных транзисторов // Радиотехника, 2008. № 6. С.134-136.Ismailov T.A. Shakhmaeva A.R. Poluprovodnikovoe termoelectricheskoe ustroistvo dlya ispytaniya moshnyh tranzistorov. Radiotehnika, 2008. № 6. S. 134-136. [Ismailov T.A. Shakhmaeva A.R. Semiconductor thermoelectric device for testing power transistors. Radiotehnika, 2008. No 6. pp. 134-136. (In Russ.)]Исмаилов Т.А., Рашидханов А.Т., Юсуфов Ш.А. Термоэлектрическое устройство для обеспечения теплового режима блоков радиоэлектронных систем // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки, 2015. Т. 37, № 2. С.50-59.Ismailov T.A., Rashidkhanov A.T., Yusufov Sh.A. Thermoelectric device to ensure the thermal regime of blocks of electronic systems // Herald of the Daghestan State Technical University. Technical Sciences. 2015. Vol. 37, No. 2. pp.50-59. (In Russ.)]Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Евдулов Д.В. Результаты теоретических исследований системы охлаждения элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений // Термоэлектричество, 2015. № 6. С. 74-87.Ismailov T.A., Evdulov O.V., Evdulov D.V. The results of theoretical studies of the cooling system of REA elements operating in the mode of intermittent heat release // Thermoelectricity, 2015. No. 6. pp. 74-87. (In Russ.)]Исмаилов Т.А., Саркаров Т.Э., Шангереева Б.А., Шахмаева А.Р. Защита поверхности кремниевых подложек на основе легкоплавкого стекла для изготовления кремниевых транзисторов // Стекло и керамика, 2017. № 5. С. 25-28.Ismailov T.A., Sarkarov T.E., Shangereeva B.A., Shakhmaeva A.R. Surface protection of silicon substrates based on fusible glass for the manufacture of silicon transistors // Glass and Ceramics,Исмаилов Т.А., Шахмаева А.Р., Шангереева Б.А. Исследование параметров, влияющих на пробивное напряжение биполярного транзистора со статической индукцией // Известия Высших учебных заведений. Радиоэлектроника, 2017. № 2. С. 23-28.Ismailov T.A., Shakhmaeva A.R., Shangereeva B.A. Investigation of parameters affecting the breakdown voltage of a bipolar transistor with static induction // News of Higher Education Institutions. Radioelectronics, 2017. No.2. pp 23-28. (In Russ.)]Патент РФ № 2534508. Конденсационный шкаф РЭА // Исмаилов Т.А., Рашидханов А.Т., Гаджиев А.М. Б.И. № 33, 2014.Patent RF No. 2534508. Condensation cabinet REA // Ismailov T.A., Rashidkhanov A.T., Gadzhiev A.M. B.I. No. 33, 2014. (In Russ.)]Патент РФ № 2634927. Устройство для отвода теплоты от элементов РЭА, работающих в режиме повторно-кратковременных тепловыделений // Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Евдулов Д.В., Казумов Р.Ш. Бюл. № 31, 2017.Patent RF No. 2634927. A device for removing heat from CEA elements operating in the mode of intermittent heat release // Ismailov TA, Evdulov OV, Evdulov DV, Kazumov R.Sh. Bull. No. 31, 2017. (In Russ.)]Шахмаева А.Р. Оптимизация технологии посадки кристалла кремниевого транзистора на основание корпуса // Проектирование и технология электронных средств, 2006. № 4. С.26-27.Shakhmaeva A.R. Optimizaciya tehnologii posadki kristalla kremnievogo transistor na osnovanie korpusa. Proektirovanie i tehnologiya elektonnyh sredstv, 2006. – № 4. – S. 26-27. [Shakhmaeva A.R. Optimization of technology for chip assembly on the base. Proektirovanie i tehnologiya elektonnyh sredstv, 2006. No 4. pp. 26-27. (In Russ.)]Электроника: Наука, Технология, Бизнес 3/2007. С. 26-29.Elektronika: Nauka, Tehnologiya, Biznes 3/2007. – S. 26-29 [Electronics: Science, Technology, Business 3/2007. pp. 26-29 (in Russ.)]Cengel Yu., Ghajar A. Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications. – New-York, McGraw-Hill Education, 6 edition, 2019. 1056 pp.Cengel Yu., Ghajar A. Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications. – New-York, McGraw-Hill Education, 6 edition, 2019. 1056 p.Chin H.S., Cheong K.Y., Ismail A.B. A review on die attach materials for SiC-based high-temperature power devices // Metall. Mater. Trans. B, vol. 41, no. 4, 2010. pp. 824-832.Chin H.S., Cheong K.Y., Ismail A.B. A review on die attach materials for SiC-based high-temperature power devices // Metall. Mater. Trans. B, vol. 41, no. 4, 2010 pp. 824-832.Khazaka R., Mendizabal L., Henry D., Hanna R.. Survey of high-temperature reliability of power electronics packaging component s// IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 5, 2015. pp. 2456-2464.Khazaka R., Mendizabal L., Henry D., Hanna R.. Survey of high-temperature reliability of power electronics packaging component s// IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 5, 2015. pp. 2456-2464.Sajid M., Hassan I., Rahman A. An overview of cooling of thermoelectric devices// School of Mechanical & Manufacturing Engineering (SMME), National University of Sciences & Technology (NUST), Islamabad, Pakistan/ Texas A&M University at Qatar, P.O. Box 23874, Doha, Qatar. Energy. Volume 118, 1 January 2017, рр. 1035-1043Sajid M., Hassan I., Rahman A. An overview of cooling of thermoelectric devices// School of Mechanical & Manufacturing Engineering (SMME), National University of Sciences & Technology (NUST), Islamabad, Pakistan/ Texas A&M University at Qatar, P.O. Box 23874, Doha, Qatar. Energy. Volume 118, 1 January 2017, pp.1035-1043Tang G., Chai T.C., Zhang X. Thermal optimization and characterization of SiC-based high power electronics packages with advanced thermal design // IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 9 (5), art. no. 8423098, 2019. pp. 854-863.Tang G., Chai T.C., Zhang X. Thermal optimization and characterization of SiC-based high power electronics packages with advanced thermal design // IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 9 (5), art. no. 8423098, 2019. pp. 854-863.Tardiff David W., Dore-North Lyne. Thermal modeling speeds up design // Electron. Packag. and Prod., № 9, 1994.Tardiff David W., Dore-North Lyne. Thermal modeling speeds up design // Electron. Packag. and Prod., No. 9, 1994.Yangang W., Xiaoping D., Guoyou L., Yibo W., Daohui L., Steve J. Status and Trend of SiC Power Semiconductor Packaging // Electronic Packaging Technology (ICEPT) 2015 16th International Conference on, 2015. pp. 396-402.Yangang W., Xiaoping D., Guoyou L., Yibo W., Daohui L., Steve J. Status and Trend of SiC Power Semiconductor Packaging // Electronic Packaging Technology (ICEPT) 2015 16th International Conference on, 2015. pp. 396-402. 2017. No. 5 pp. 25-28. (In Russ.)]

The authors declare that there are no conflicts of interest present.