CHLADIČE PRO VÝKONOVÉ POLOVODIČOVÉ SOUĆÁSTKY

Transkript

1 POLOVODIČE, a.s. Novodvorská 1768/138a PRAHA info@polovodice.cz Počet listů:6 CHLADIČE PRO VÝKONOVÉ POLOVODIČOVÉ SOUĆÁSTKY Chladič pro výkonové polovodičové součástky (dále VPS) je zařízení, které odvádí v teplo proměněný ztrátový výkon z místa jeho vzniku do chladícího prostředí (vzduch, kapalina). Nezajistí-li se odvod tepla vznikajícího ztrátovým výkonem v křemíkové destičce, bude se teplota křemíkové struktury trvale zvyšovat, až při určité její hodnotě dojde ke zhoršení funkčních vlastností součástky nebo dokonce k jejímu zničení. Vzniklé teplo se nemůže odvést do okolního prostředí povrchem pouzdra VPS, součástku je třeba připevnit k vhodnému chladiči. Pro chlazení polovodičových součástek je možno použít: - deskové chladiče - profilové chladiče - kapalinové chladiče - chladiče na bázi tepelné trubice Deskové chladiče konstruované z měděných nebo hliníkových desek se používají zejména pro menší výkony. Nejrozšířenější jsou vzduchové profilové chladiče, vyráběné ze slitiny hliníku s anodicky okysličeným povrchem. Lze je použít pro přirozené i nucené chlazení. Kapalinové chladiče využívají systému nuceného oběhu chladící kapaliny. Chladiče na bázi tepelných trubic jsou určeny pro nucené chlazení vzduchem. Podle způsobu montáže VPS na chladiče se rozlišují chladiče pro jednostranné a oboustranné chlazení. Chladiče pro jednostranné chlazení Používají se pro VPS v pouzdrech svorníkového typu (pouzdra OK) i pro VPS v kotoučových pouzdrech pastilkového typu (pouzdra P). U klasicky zapouzdřených součástek se mechanického spojení součástky a chladiče dosahuje dotažením svorníku do chladiče předepsaným utahovacím momentem. Přítlačná síla polovodičového systému a vývodních dílů VPS je zajištěna vnitřním mechanickým systémem. U polovodičových součástek s pastilkovou konstrukcí se spojení s chladičem a vyvození potřebné přítlačné síly dosahuje pomocí speciální přítlačné konstrukce. Proudové přívody na straně součástky, která není spojena s chladičem se zajišťují prostřednictvím pokovených měděných vývodních podložek. Používání podložek nabízených a dodávaných výrobcem není podmínkou. Pro zajištění potřebné proudové intenzity a dokonalý styk podložky s VPS je však nutné dodržet materiál, vhodnou šířku a průřez, rozměry připojovacího otvoru a kvalitu opracování a pokovení stykových ploch. Pro upevnění k nosné konstrukci zařízení nebo rozváděče jsou tyto chladiče většinou opatřeny drážkami do kterých se vkládají speciální nebo standardní matice. Polovodiče, a.s. 1

2 Chladiče pro oboustranné chlazení Používají se pro polovodičové součástky v pastilkovém provedení. Mechanického spojení chladiče s VPS předepsanou přítlačnou silou se dosahuje pomocí speciální stahovací konstrukce. Chladiče tohoto typu jsou složeny ze dvou částí, z nichž každá odvádí ztrátové teplo z jedné strany VPS. Udávány jsou vždy vlastnosti chladiče jako celku. Proud je k součástce přiváděn dosedacími plochami chladičů, které jsou upraveny tak, aby byla zaručena velikost a stabilita přechodových odporů. Při upevňování chladičů k nosné konstrukci je třeba zajistit volnost alespoň jedné části sestavy a zároveň se vyvarovat namáhání soustavy na ohyb. Ve složitějších případech doporučujeme konzultaci s výrobcem. Chlazení VPS a návrh vhodného chladiče Bezporuchová činnost polovodičových součástek závisí na dostatečném chlazení. Pro návrh chlazení jsou určující: - vnitřní tepelný odpor polovodičová struktura pouzdro R thjc - závisí na konstrukci (typu) polovodičové součástky - tepelný odpor styku pouzdro chladič R thch - závisí na rozměrech a kvalitě dosedací plochy Co nejmenší hodnota odporu R thch se docílí: - využitím celé kontaktní plochy součástky - čistotou a hladkostí dosedacích ploch - vyvozením předepsaného tlaku na dosedacích plochách - pokrytím stykových ploch tepelně vodivou stykovou vazelínou - tepelný odpor chladič chladící médium R thha závisí na: - volbě chladícího média (vzduch, voda, olej) - množství chladícího média - velikostí povrchu, tvaru a konstrukci chladiče - úpravě povrchu chladiče Návrh vhodného chladiče doporučený postup 1. V technické specifikaci nebo konstrukčním katalogu vyhledáme pro zvolený typ VPS a) nejvyšší přípustnou teplotu přechodu T j b) vnitřní tepelný odpor součástky R thjc c) stykový tepelný odpor R thch d) z křivek ztrátového výkonu použité VPS odečteme ztrátový výkon P odpovídající provozní proudové zatížitelnosti součástky 2. Zvolíme teplotu okolí T a, při které předpokládáme, že bude VPS pracovat. Polovodiče, a.s. 2

3 3. Ze získaných hodnot vypočteme celkové oteplení chladiče oproti okolí (chladícímu médiu) DT ha a tepelný odpor chladiče R thha podle vztahů: a) pro jednostranné chlazení T j - T a = P ( R thjc + R thch + R thha ) T j - T a - P ( R thjc + R thch ) R thha = = P kde P je ztrátový výkon polovodičové součástky DT ha P b) pro oboustranné chlazení I. za předpokladu, že oba vnitřní i oba stykové tepelné odpory jsou stejné, platí: T j - T a = P R thjc + R thch + R thha 2 kde P je ztrátový výkon VPS a R thha je tepelný odpor jednoho dílu chladiče. II. za předpokladu, že oba vnitřní i oba stykové tepelné odpory nejsou stejné, platí T j - T a = P ( R th1 + R thha ) + (R th2 + R thha ) (R th1 +R thha ). (R th2 +R thha ) kde P je ztrátový výkon VPS, R thha je tepelný odpor jednoho dílu chladiče a R th1 = R thjc1 + R thch R th2 = R thjc2 + R thch2 4. S použitím katalogu určíme podle vypočteného potřebného tepelného odporu R thra vhodný chladič a rychlost chladícího média. Při přirozeném chlazení bereme ohled na velikost rozptylovaného výkonu, která má podstatný vliv na chladící účinek chladiče. Profilové chladiče musí být v zařízeních umísťovány tak, aby jejich žebra byla ve svislé poloze. Jsou-li chladiče v zařízeních umísťovány přímo nad sebou, bude chladící vzduch horních chladičů teplejší, než spodních. Při projekčním návrhu aplikací je nutné brát tuto skutečnost v úvahu. V uzavřeném prostoru rovněž nesmí být zanedbány účinky ostatních zdrojů tepla. Pro nucené chlazení je kromě závislosti tepelného odporu na rychlosti chladícího média důležitá i závislost tlakové ztráty na rychlosti, popř. na množství chladícího média. Množství chladícího média i tlaková ztráta je zpravidla udávána pro jeden chladič. Pokud je v zařízení např. umístěno n profilových chladičů, potom celkové množství chladícího vzduchu, které musí dodat ventilátor, je rovné n-násobku množství pro jeden chladič. Rovněž je-li m profilových chladičů nad sebou, je celková tlaková ztráta rovná m- násobku tlakové ztráty na jeden chladič. To ovšem platí jen za předpokladu, že množství vzduchu potřebné pro chlazení je totéž a prochází všemi chladiči. Polovodiče, a.s. 3

4 Při návrhu chlazení pro zařízení v impulsním provozu a z hlediska provozních přetížení se vychází z křivky tranzientní tepelné impedance, jejíž průběh je v konstrukčním katalogu a v technické specifikaci rovněž uváděn. Další doporučení a aplikační návody lze získat z odborné literatury, např.: Haškovec, Lstibůrek, Zíka: Tyristory - SNTL, 1972, Zíka: Diody a tyristory v průmyslové elektronice - SNTL, několik vydání Zíka: Základy a praxe výkonové elektroniky, příloha časopisu ELEKTROTECHNIK (později ELEKTRO) 1/1987 až 12/1991 Názvosloví Přirozené chlazení Chladícího účinku se dosahuje přirozeným prouděním chladícího média dané teploty T a a radiací; je ovlivněn klimatickými poměry vně i uvnitř zařízení. Nucené chlazení Chladícího účinku se dosahuje nuceným prouděním chladícího média okolo aktivní plochy chladiče určitou rychlostí. Rychlost chladícího média v h Průměrná vypočítaná rychlost chladícího média ve volném průřezu chladiče. Poznámka: Způsob měření rychlosti a množství chladícího média je třeba dohodnout s výrobcem. Množství chladícího média Q h Objem chladícího média, který projde volným průřezem chladiče za jednotku času. Teplota chladícího média T a Teplota chladícího média před vstupem do chladiče, kterým je polovodičová součástka chlazena. Rozdíl teploty chladiče a okolí DT ha Rozdíl mezi průměrnou teplotou dosedací plochy chladiče a teplotou chladícího média před vstupem do chladiče. Hydraulická ztráta dp h Představuje rozdíl statického tlaku před a za chladičem při proudění chladícího média danou rychlostí. Volný průřez chladiče A hv Rozdíl mezi zastavěnou plochou profilu chladiče a plochou příčného řezu žebroví chladiče. Zastavěný objem chladiče V h Objem chladiče daný jeho vnějšími obrysovými rozměry. Polovodiče, a.s. 4

5 Utahovací moment M p Kroutící moment, kterým je nutno dotáhnout pouzdro polovodičové součástky ke chladiči, aby byla zaručena její správná funkce. Přítlačná síla F p Síla, kterou je třeba stlačit polovodičovou součástku mezi oběma částmi chladiče, aby byla zaručena její správná funkce. Tepelný odpor R th Teplotní rozdíl mezi dvěma specifikovanými body nebo oblastmi, vztažený na jednotkový tok tepla mezi těmito dvěma body nebo oblastmi při tepelné rovnováze. Poznámka: Ve většině případů může být tok tepla položen rovným rozptylovému ztrátovému výkonu na polovodičové součástce. Stykový tepelný odpor R thch Poměr rozdílu teploty pouzdra a teploty chladiče ke ztrátovému výkonu polovodičové součástky, když je polovodičová součástka s chladičem v tepelné rovnováze. Tepelný odpor chladiče R thha Poměr rozdílu teploty chladiče a teploty okolí nebo chladiva ke ztrátovému výkonu polovodičové součástky, když je polovodičová součástka s chladičem v tepelné rovnováze. Přechodná tepelná impedance Z th(t) Chování tepelného ekvivalentního obvodu polovodičové součástky nebo chladiče při nepravidelném nebo impulsním provozu. Poznámka: Udává se jako časová závislost poměru teplotního rozdílu za dobu působení jednotkového impulsu mezi dvěma specifikovanými body nebo oblastmi ke ztrátovému výkonu. Přechodná tepelná impedance styku Z th(t)ch Časová závislost rozdílu teploty pouzdra a teploty chladiče, vztažená na jednotku ztrátového výkonu vstupujícího celou dosedací plochou, pro předem stanovený průběh rozptylovaného ztrátového výkonu. Přechodná tepelná impedance chladiče Z th(t)ha Časová závislost rozdílu teploty dosedací plochy chladiče a teploty chladícího média, vztažená na jednotku ztrátového výkonu vstupujícího do chladiče celou dosedací plochou pro předem stanovený časový průběh rozptylovaného ztrátového výkonu. Vnější přechodná tepelná impedance Z th(t)ca Časová závislost rozdílu teploty pouzdra součástky a teploty okolí (chladícího média) vztažená na jednotku ztrátového výkonu vstupujícího celou dosedací plochou, pro předem stanovený průběh rozptylovaného ztrátového výkonu. Polovodiče, a.s. 5

6 Tepelné a hydraulické vlastnosti chladiče jsou udávány závislostmi: A. R thha = f(v h ) nebo R thha = f(q h ) pro specifikovanou dosedací plochu polovodičové součástky a chladiče B. dp h = f(v h ) nebo dp h = f(q h ) C. R thha = f(p) nebo DT ha = f(p) pro přirozené chlazení D. Z th(t)ha = f(t) pro přirozené a nucené chlazení E. Z th(t)ca = f(t) pro přirozené a nucené chlazení Uváděné závislosti platí do nadmořské výšky 1200 m, při použití chladičů ve vyšších nadmořských výškách doporučujeme konzultaci s výrobcem. Polovodiče, a.s. 6