Tepelné ztráty a chlazení výkonových polovodičových prvků

Transkript

1 výkonových polovodičových prvků Projekt ESF CZ.1.7/2.2./28.5 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.

2 Perioda spínání řízeného spínače napětí a proud označení veličin a časových intervalů: výuky technických předmětů 2

3 Základní parametry spínacího procesu polovodič. prvku podle předchozího grafu Parametr název popis U D,U R blokovací napětí napětí na prvku v závěrném stavu I D, I R svodový proud proud prvkem v závěrném stavu (při U D, U R ) I F, I T propustný proud proud prvkem v propustném stavu U F,U T úbytek prop. napětí napětí na prvku při sepnutí (při I F, I T ) t 1, t 2 T, f t d t r doba zapnutí, vypnutí perioda, frekvence doba zpoždění doba nárůstu perioda a frekvence spínání, t 1 + t 2 = T t on doba zapnutí t d + t r = T on t s t f doba přesahu doba poklesu t off doba vypnutí t s + t f = T osem zadejte rovnici.ff výuky technických předmětů 3

4 Vznik tepla v polovodičových prvcích teplo vytváří ztrátový výkon elektrického proudu v prvku okamžitý příkon prvku (hlavní i řídící obvod prvku) p Z = u i = u D i D + u G i G ztrátová energie za periodu T W Z = P Zav T = u D i D + u G i G dt Celkový ztrátový výkon prvku P Zav = 1 T T u idt = 1 T T u D i D + u G i G dt výuky technických předmětů 4

5 Souhrn ztrát na polovodičovém prvku během periody (ztrátový výkon řídící elektrody se většinou zanedbává) t1 propustné ztráty - W 1 = u F i F dt = U F I F t 1 závěrné ztráty - W 2 = u D i D dt = U t 2 D I D t 2 t zapínací ztráty - W on = r u D i F dt = (U D t vypínací ztráty - W on = f u D i F dt = (U D t lavinové ztráty - W aval = U aval Dbr i aval střední ztrátový výkon: T I F t r )/2 I F t f )/2 dt P Zav = W 1 + W 2 + W on + W off + W aval f výuky technických předmětů 5

6 výuky technických předmětů 6

7 Výpočet chladící soustavy pro výkonový spínací prvek Mezní teplota čipu (přechodu) polovodičového spínače při překročení, růst závěrného proudu zničení prvku (napěťový průraz), zkrácení životnosti (degradace materiálu) uvádí se jako parametr T Jmax max. teplota křemíkového polovodičového čipu omezená tyristory ( C), diody (16 C 19 C), tranzistory (14 2 C), zajištějí teploty součástky pod T Jmax chlazení odvod tepla do chladnějšího prostředí (musí platit termodynamické zákony) metody odvodu tepla fyzikální principy: vedení (kondukce), proudění (konvekce), záření (radiace) realizace dostatečného chladícího systému, pokud nestačí přirozený odvod tepla výuky technických předmětů 7

8 Vedení tepla v tuhé homogenní látce, jednorozměrný př. tyč, průřez S, délka l, plátek dx, tepelný tok P, tepelná vodivost materiálu λ teplotní spád: pro celou tyč platí (po integraci) d P S dx P d dx S l S 1 2 P zavedení pojmu tepelný odpor R th (K/W) R th 12 P l S l S P Rth P 2 R th 12 P 1 výuky technických předmětů 8

9 Oteplení prvku Tepelné ztráty a chlazení Prvek (čip, základna polovodičového prvku, část chladiče, kompaktní část konstrukce obvodu o objemu V a tepelné kapacitě c V ) Za čas T do prvku přiteče celková tepelná energie (vznik Jouleovým teplem W J a přívedením tepla z teplejšího prostředí W 1 ) a odteče energie W 2 (chlazení). Změna teploty z počáteční 1 na 2 Výpočet oteplení W W WJ W c V v J 2 1 cv V W T 2 1 výuky technických předmětů 9 J W p Z dt W 1 W 2

10 Chlazení tělesa tekutinou (přestup tepla chladičem do okolního vzduchu) nelineární přestup tepla z chladiče do tekutiny (vzduch, plyn, chladící kapalina) P kde h je funkce plochy, rychlosti; S plocha, rozdíl teplot 1 2 empirický vzorec pro přenos tepla, závisí na typu proudění tekutiny laminární proudění: turbulentní proudění: h S 1 2 P P, 9 v 3 S 1 2 l v l 4 5 6, S 1 2 výuky technických předmětů 1

11 Přenos tepla prouděním (kondukcí) v tekutině přenos přirozený (teplo způsobí pohyb vzduchu) nebo nucený (čerpadlo, ventilátor) teplo se z chladiče předává do tekutiny (kapalina, plyn), zvýší se její teplota, tekutina proudí a odvádí teplo tepelná kapacita tekutiny, objemová rychlost proudění média (nutné dimenzovat) praktické problémy rozsah teplot v případě kapaliny (nesmí zamrznout ani se rozkládat při vyšší teplotě, viskozita) voda, ethylen-glykol (nemrznoucí směs) elektrická vodivost kapaliny(elektrolytická koroze chladiče při chlazením obou napájecích pólů jedním chladícím okruhem) demineralizovaná voda výuky technických předmětů 11

12 Přenos tepla radiací záření absolutně černého tělesa každé těleso s teplotou vyšší, než je teplota absolutní nuly vyzařuje elektromagnetické záření (Planckův vyzařovací zákon) emisivita T 1 1 Stefan-Boltzmannova konstanta velikost vyzařovaného tepelného výkonu P R...1 5,671 S 8 zvýšení emisivity černý a matný povrch (eloxování hliníku) W/m 2 K 4 4 T 1 T ,16 výuky technických předmětů 12

13 Elektrický ekvivalent Tepelné ztráty a chlazení veličiny související s tokem tepla se nahrazují veličinami z elektrických obvodů tepelné schéma -> schéma náhradního elektrického obvodu řešení parametrů tepelného obvodu -> obvodové rovnice použití obvodových simulátorů pro řešení tepelných poměrů Příklady použití ekvivalentních veličin tepelný odpor 2 R th 12 P 1 2 R I 1 tepelná kapacita 1 2 T pdt 1 c V v 2 1 U 2 R I 1 C T idt U U 1 výuky technických předmětů 13

14 Přehled ekvivalentních veličin Elektrická veličina Tepelná veličina elektrický proud I A tok výkonu P Z W elektrický potenciál V teplota T C, K elektrické napětí U V rozdíl teplot mezi místy C, K elektrický odpor R Ω tepelný odpor R th W/K kapacita C F tepelná objemová kapacita C V = c V.V J/K měrná el. vodivost σ S/m měrná tepelná vodivost λ J/Kms elektrický náboj Q C energie W J výuky technických předmětů 14

15 Základní schéma systému chlazení výkonového prvků ustálený stav, použití elektrického ekvivalentu J C H RthJC RthCH RthHA Pav A RthCH RthHA Pav A R thha P av p Zav střední ztrátový výkon A R thjc tepelný odpor přechod čipu pouzdro (základna) R thch pouzdro - chladič R thha chladič vzduch (prostředí) J teplota čipu, C základny, H chladiče, A okolí, výuky technických předmětů 15

16 Zjednodušená ekvivalentní náhrada pro dynamický stav vliv tepelných kapacit konstrukčních částí prvku a chladicího systému. obecně nelineární (kvůli nelineárnímu přestupu tepla z chladiče do prostředí) p Z okamžitý ztrátový výkon c J tepelná objemová kapacita čipu, c C základny, c H chladiče výuky technických předmětů 16

17 Přechodová tepelná impedance náhradní funkce Z thja(t) průběh změny teploty přechodu prvku při skokovém přiložení ztrátového výkonu 1W popsaná parametry R thi a τ i J t P ZthJAt A Z thja t n i1 R thi 1 e t i J t P n t n t i R thi 1 e i A J t P Rthi e A i1 i1 výuky technických předmětů 17

18 Elektrická ekvivalence přechodové tepelné impedance vzorec je možné modelovat obvodem Z thja kde t n i1 C i R thi i R 1 e thi t i původní tvar křivky Z thja (t) měřením a modelováním, náhradní parametry R thi a C thi se určí výpočtem z určené křivky vypočtem obvodu je možné určit průběh teploty uvnitř prvku křivka se uvádí v technických specifikacích prvku často včetně náhraních parametrů C i a R thi výuky technických předmětů 18

19 Různé průběhy zatěžovacího výkonu ve spínacím režimu Průběh spojitý Osamocený puls Periodický puls Skokový průběh t t t 1 J P R thja A J t P ZthJAt A t t t 1 J t P Z t t Z t t t thja thja 1 1 DZ thjat t1 ZthJAT ZthJAt1 ] A u periodického pulsu vysoké frekvence je možné počítat se systémem jako ustáleným stavem, pro 5 Hz se uvádí korekce J max P [ DR D t 1 T D P thja JD R thja A t t P j R thja t t j t P Rthja PS P Z thjat a a výuky technických předmětů 19

20 Příklad křivky přechodové tepelné impedance včetně uváděných korekcí a náhradních parametrů výuky technických předmětů 2

21 Křivky přechodové tepelné impedance výkonového tranzistoru MOSFET graf z technických specifikací výkonového tranzistoru pro náhradní obvod jiné schéma, uváděná náhradní parametry. T výuky technických předmětů 21

22 Chlazení polovodičových prvků výkonové elektroniky základní principy výpočtu uvažovat především propustné ztráty spínací a lavinové ztráty by neměli při plném výkonu dosáhnout 1% - výběr součástek, volba frekvence tepelný obvod se počítá pro nejhorší možný případ největší střední proud spínačem, nejvyšší teplota (okolí normalizováno, max. teplota přechodu) mezní parametry součástek (maximální U FM, t r, t f ) mezní tepelné odpory periodický průběh propustného proudu Výpočet pro střední ztrátový výkon, pro nižší frekvence - korekce výuky technických předmětů 22

23 Určení propustných ztrát u reálných prvků při optimálním návrhu by propustné ztráty měly tvořit 7 až 9% celkových ztrát propustný stav ztráty pro sepnutý stav tran. MOSFET - lineární voltampérová char., pro max. teplotu ztráty pro sepnutý stav - diody, BJT tyristory, IGBT - linearizace char. komutační ztráty na diodě P 1 P 1 2 RdON I DM t1 max 2 r I U I DM t f T TO DM 1 P rr I rrm U Rt 4 rr f f výuky technických předmětů 23

24 grafy v technických specifikacích prvků pro zjednodušené tepelné výpočty Určení ztrátového výkonu při středním periodickém proudu Určení maximální povolené teploty základny prvku při středním periodickém proudu výuky technických předmětů 24

25 Základní prostředky chlazení elektroniky Masivní chladiče měď(dražší), hliník (levnější), vysoká hodnota tepelné vodivosti zvětšení povrchu chlazeného systému zmenšení tepelného odporu, lepší odvádění tepla do okolí pasivní nebo aktivní bez ventilátoru nebo s ventilátorem Kapalinové chlazení chladící plocha chlazena kapalinou, odvádí teplo proudící kapalinou určené na největší výkony (>1 kw) Peltierovy články proud v polovodiči řídí tok tepla výuky technických předmětů 25

26 profilované chladiče hliník nebo měď volba délky podle požadovaného tepelného odporu součást konstrukce zařízení chladiče pro konkrétní typ pouzdra prvku např. pro TO22 část profilu nebo zvláštní výlisek, odlitek (Al, Cu) Tepelné ztráty a chlazení výuky technických předmětů 26

27 Tepelné trubice Tepelné ztráty a chlazení využití skupenského tepla chladící kapalina se vaří, odebírá teplo chladící ploše. Páry proudí do oblasti kondenzace, při zkapalnění předají teplo na chladič. Přenos kapaliny zpět do oblasti varu. vhodná kapalina (podle teploty varu) pro polovodičové součástky alkohol (var podle tlaku mezi 5 1 C) vysoká účinnost vzhledem k velikosti výuky technických předmětů 27

28 Zlepšení účinnosti chlazení snížení tepelného odporu soustavy dalšími prostředky teplovodivé pasty (vyplňují nerovnosti mezi stykovými plochami), kov s nízkou teplotou tání (tecofoil) nucené proudění vzduchu (ventilátor) elektrická odolnost chladících systémů součástky bývají elektricky spojeny s chladící základnou u tranzistorů jde o kolektor (BJT, IGBT) nebo drain (MOSFET), elektroda je obvykle spojena s kladným potenciálem napájení měniče pastilkové součástky elektrody jsou zároveň chladícími plochami výjimka - výkonové součástky s izolovanou základnou horší tepelný odpor mezi čipem a základnou -> nižší střední proud, vyšší cena, nedostupné pro všechny požadované parametry výuky technických předmětů 28

29 Řešení elektrické odolnosti chladicích systémů chladič je živou částí měniče, je součástí obvodu co prvek, to chladič, vzdálenosti, oddělení oddělení od neživých částí měniče elektrická pevnost proti kostře zkušební napětí 5 V AC, 5 kv DC, - speciální konstrukce s ohledem na napětí ochrana před nežádoucím dotykem (poloha, zakrytování) izolační podložky (silikonové, slídové, keramické) mezi prvek a chladič možný společný chladič zvýšení tepelného odporu mezi prvkem a chladičem snížení maximálního ztrátového výkonu výuky technických předmětů 29

30 Základní úlohy výpočet teploty přechodu konstrukce (výběr součástky, chladiče - délka) výuky technických předmětů 3

31 Literatura 1. Benda, V.,Papež,V.: Komponenty výkonové elektroniky. ČVUT Praha 26,. kapitola 2.: Podmínky spolehlivého provozu výuky technických předmětů 31

32 výuky technických předmětů Děkuji za pozornost Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.7/2.2./28.5 výuky technických předmětů, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.