Chlazení polovodičových součástek

Transkript

1 Výkonové polovodičové systémy cvičení Chlazení polovodičových součástek Joule-Lencův zákon: Všechny elektronické součástky, které vykazují elektrický činný odpor, produkují při průchodu elektrického proudu teplo. P= R I Ztráty v zařízeních: Vlastní polovodičových součástek (ztráty vedením, spínací) V kondenzátorech a cívkách V činných a přechodových odporech (vodiče, kontakty, ) Na jistících prvcích V řídících obvodech Způsoby chlazení: Vzduchové Přirozené chlazení je použitelné pro malé ztrátové výkony maximálně do W. Nucené odvod ztrátového výkonu do kw, relativně levné řešení, slabinou tohoto řešení je ventilátor, mechanické uspořádání ve formě komínů či chladících kanálů. Kapalinové Použitím kapaliny místo vzduchu při stejné rychlosti pohybu chladiva se přenos tepla zvětší více než stonásobně. I přes tuto výhodu se kapalinové chlazení používá mnohem méně než vzduchové, protože jeho nevýhodou je preciznost při konstrukci, speciální chladicí kapalina, nutnost dalších prvků chladicího obvodu (čerpadlo, tepelný výměník, hadice, ). s uzavřeným okruhem s otevřeným okruhem epelné trubice hot pipe přináší lepší odvod tepla, při zmenšení nároků na zastavěný prostor a materiál. Chladič na principu fázové změny teplotního média v uzavřeném prostoru dovede odvést výkon i nad kw. Přední nevýhodou těchto chladičů je jejich nedostatečná tuhost a robustnost a jsou tedy pro aplikaci v elektromobilu zcela nevhodné. Ztráty: PO = PCON + PSW (W; W, W) - P CON Ztráty způsobené vedením proudu (convection) - P SW Ztráty způsobené spínáním polovodičové součástky (switch) a. Ztráty způsobené vedením proudu: (vztaženo pro diodu či tyristor) Rovnice vedení tepla: Δ ϑ = PF Rth (Analogie s Ohmovým zákonem: U = R. I ) P = u IF ( AV ) + rd IF ( RMS ), kde: (W; V, A, Ω,A) - u - prahové napětí (katalogový údaj) - r d - diferenciální odpor (katalogový údaj) - IF( AV) = i() t dt (A; s, A) - I () F( RMS) = i t dt (A; s, A)

2 Výkonové polovodičové systémy cvičení b. Spínací ztráty: Spínacími (přepínacími) ztrátami rozumíme součet ztrát zapínacích a vypínacích. PSW = f ( Won + Woff ) (W; Hz, J, J) Přepínací výkon lze v nejobecnější podobě určit ze vztahu: SW SW z () () P = W i t f t dt (W; s, J, A, Hz) Pro konstantní energii i kmitočet, při lineární aproximaci přejde rovnice do tvaru: Emax Emax WSW = WSW [ IZ ] = IZ = IZ IZ max IC nom, (W; J, A, A) kde I Z je proud zátěže, E max je katalogový údaj, označující ztrátovou energii při zpracovávání maximálního, tj. jmenovitého typového proudu I Cnom tranzistoru. Schéma tepelného obvodu: P O R thj-c j c Analogie s elektrickým obvodem: eplota napětí V epelný tok P el. proud I epelný odpor R th el. odpor R P O Celkový ztrátový výkon (Power total) R thj-c ep. odpor přechod pouzdro (junction-case) R thc-a R thc-h R thh-a h a R thc-h ep. odpor pouzdro - chladič (case-heatsink) R thjc-a ep. odpor pouzdro - okolí (case-area) R thh-a ep. odpor chladič okolí (heatsink-area) j eplota PN přechodu c eplota pouzdra h eplota chladiče a eplota okolí c h j a

3 Výkonové polovodičové systémy cvičení Chladič Při volbě chladiče vycházíme většinou z parametrů chladičů danými výrobcem, které nemůžeme již ovlivnit. Celkový odpor chladicí soustavy může však ovlivnit např.: stykem součástky s chladičem, barvou či povrchem chladiče nebo polohou chladiče. Styk pouzdra tranzistoru s chladičem: - Neizolovaný suchý R thc-h =,, K/W - Neizolovaný s vazelínou R thc-h =,, K/W - Izolovaný slídou s vazelínou R thc-h =,5,8 K/W - S podložkou ECOFOIL R thc-h =,5 K/W Povrch chladiče koeficient sálavosti c [-] - Leštěný Al c =,5 - Leštěná Cu c =,7 - Černý lesklý nátěr c =,88 - Černý matný nátěr c =,97 Polohu chladiče volíme tak, aby byl zaručen co nejlepší odvod tepla. Příklady:. ranzistor pracuje se ztrátovým výkonem 5W. V katalogu udává výrobce j = C, R thj-c =,8K/W. Určete maximální tepelný odpor chladiče (R thh-a ) tak, aby při okolní teplotě a = 45 C nebyl tranzistor tepelně přetížen. Dále určete teplotu pouzdra a chladiče. Styk pouzdra s chladičem je neizolovaný suchý (R thc-h =,K/W). Náhradní schéma tepelných odporů: Zanedbáváme tepelný odpor R thc-a. P O R thj-c R thc-h R thh-a j c h a = R P =,8 5 = 45K j c thj c O = R P =, 5 = 5K c h thc h O ( ) = + = 75 5 = 5K h a j a j c c h R thh a h a 5 = = = K / W P 5 O = + = = 7 C h a h a = a+ + = = 75 C c h a c h Výkonový tranzistor v plochém kovovém pouzdře má parametry: - j = 55 C - R thj-c = K/W - R thc-a = K/W - a = 5 C

4 Výkonové polovodičové systémy cvičení a. Určete maximální výkonové zatížení bez chlazení. b. Určete tepelný odpor chladiče pro výkonové zatížení 9W. a. P O j a = = =,9W R + R thj c thc a b. R = R + R = +, =, K / W thj h thj c thc h = P R = 7,9K R j h O thj h thh a j a j h, = = =, K / W P 9 O. Určete ztrátový výkon tyristoru , je-li zapojen jako jednopulsní usměrňovač s řídícím úhlem α = /. Amplituda proudu na zátěži je A. P = U I + r I d FRMS Z katalogu: U =,87V, r d =,85. - Ω Im,5 I = i () t dt Im sin () t dt cos() t,87 A = = = = Im FRMS = () m sin () cos() sin () = = + = = + d FRMS = + = I i t dt I t dt t t t A P U I r I,87,87,85., 47W. Určete odpovídající chladič pro tento tyristor. - P O = (předcházející příklad) - R thj-c =,58K/W - R thc-h =,5K/W teplovodivé podložka ECOFOIL - R thh-a =? - a = 65 C - jmax = 5 C = = 5 65 = 6K j a j a ( ) ( ) j h = PO Rthj c + Rthc h =,88,58 +,5 = 4,97K j a j h 6 4,97 Rthh a = = =, K / W P,8 O 4

5 Výkonové polovodičové systémy cvičení 4. Určete oteplení tyristoru z. příkladu, je-li namontován na doporučený chladič při a = 5 C. 5. Určete parametry chladiče pro diodu, jejíž P = 4W, R thj-c =,9K/W, R thc-h =,5K/W, a = C a j = C. 6. Určete teplotu přechodu pouzdra diody z předchozího příkladu. 5