9/10/2012. Způsoby chlazení VPM, náhradní tepelná schémata. Způsoby chlazení VPM, náhradní tepelná schémata obsah prezentace

Transkript

1 Způsoby chlazení VPM, náhradní tepelná schémata Konstrukce polovodičových měničů Způsoby chlazení VPM, náhradní tepelná schémata obsah prezentace Podmínky spolehlivého provozu VPS Vznik tepla a chlazení VPS Tepelný odpor a přechodná tepelná impedance Analogie tepelných a elektrických veličin Proudová zatížitelnost a typový proud VPS Způsoby chlazení VPM vzduchové tepelné trubice kapalinové Tepelný odpor styku VPS chladič KPM 2012/2013 Způsoby chlazení VPM, náhradní tepelná schémata Petr Vaculík Seznam hlavních symbolů a zkratek z oblasti chlazení a výpočtu tepelných schémat index veličina název j junction přechod t j j teplota přechodu c case pouzdro t c c teplota pouzdra s heatsink chladič t s s teplota chladiče a ambient okolí t a a teplota okolí R thjc R jc tepelný odpor přechod-pouzdro R thcs R cs tepelný odpor pouzdro-chladič R thsa R sa tepelný odpor chladič-okolí C thc C c tepelná kapacita pouzdra C ths C s tepelná kapacita chladiče KPM 2012/2013 Způsoby chlazení VPM, náhradní tepelná schémata Petr Vaculík 1

2 Podmínky spolehlivého provozu VPS zajištění vhodného způsobu odvodu ztrátového výkonu (chlazení), který je úměrný předpokládanému zatěžování dodržení zásad sériového a paralelního řazení VPS vyloučení nebo omezení provozních režimů, které vedou k degradaci parametrů součástek KPM 2012/2013 Způsoby chlazení VPM, náhradní tepelná schémata Petr Vaculík Vznik tepla a chlazení VPS při provozu VPS vznikají tepelné ztráty, resp. tepelný výkon, který navyšuje teplotu polovodičového prvku, což má za následek: s rostoucí teplotou jsou negativně ovlivňovány vlastnosti a parametry VPS roste riziko tepelného průrazu pracovní rozsah teplot Si VPS je omezen nejnižší teplotou T jmin a nejvyšší teplotou T jmax přechodu Pro udržení VPS v provozních teplotách je nezbytné chlazení součástek, tj. odvádění vznikajícího ztrátového výkonu z objemu součástky a rozptylování do okolního prostředí. Tepelný odpor a přechodná tepelná impedance Uvažujme tepelný přenos: teplo vytvořené VPS chladič okolní prostředí Tok tepelné energie za jednotku času dq/dt = P th o průřezu S s tepelnou vodivostí, můžeme v jednorozměrném případě vyjádřit v ustáleném stavu vztahem: V případě tyče o konstantním průřezu S a délce l lze vyjádřit: R ht je tepelný odpor 2

3 Tepelný odpor a přechodná tepelná impedance Na styku dvou různých materiálů o ploše S dochází k přestupu tepla teplotnímu rozdílu T. Potom hustotu tepelného toku při koeficientu přestupu tepla h můžeme vyjádřit: Pokud zároveň dochází k ohřevu tělesa s měrným teplem materiálu c o objemu V a hustotě m potom: Proces ohřívání je analogický s nabíjením kondenzátoru (jedná se o kapacitní systém) s kapacitou C th přes odpor R th. Tepelný odpor a přechodná tepelná impedance Teplo vzniká průchodem proudu v křemíkové destičce a je rozptylováno chladičem do okolí chladiče o teplotě T a. Vzniká-li v součástce ztrátový výkon P z, je možno teplotu křemíkové destičky T j vyjádřit vztahem: kde Z th ja (t) je přechodná (transientní) tepelná impedance, která narůstá s časem t Analogie tepelných a elektrických veličin 3

4 Analogie tepelných a elektrických veličin Využitím analogie elektrického a tepelného obvodu můžeme řešit systém VPS s chladičem jako obvod, složený z dílčích tepelných odporů a tepelných kapacit. T j teplota přechodu T c teplota pouzdra T s teplota chladiče T a teplota okolí P th ztrátový výkon VPS Analogie tepelných a elektrických veličin V ustáleném stavu platí: Pro maximální ztrátový výkon platí: Analogie tepelných a elektrických veličin příklad výpočtu 4

5 Analogie tepelných a elektrických veličin V případě, že součástka pracuje po dobu kratší než je doba ustálení tepelné rovnováhy, je změna teploty popsány pomocí přechodné tepelné impedance Z th (t) V případě obdélníkového impulsu ztrátového výkonu s délkou obdélníku t p je: Proudová zatížitelnost, typový proud VPS Proudová zatížitelnost součástky závisí: na parametrech součástky U TO, r T a T jmax na pracovním režimu W on, W off, podmínkách chlazení T a, R thja pracovní frekvenci f Proudová zatížitelnost VPS je výrobcem definována typovým proudem, který je udáván pro nízké frekvence (zanedbání spínacích ztrát) a je závislá na teplotě. Pro diody a tyristory bývá typový proud odvozován od střední hodnoty proudu při půlsinusových proudových impulsech. Chlazení VPS Tepelný odpor chladiče, R thsa zabezpečuje přestup tepla z tělesa chladiče do okolního prostředí. Vzhledem ke konečné tepelné vodivosti materiálu chladiče není teplota povrchu ve všech místech stejná -> S ef < S kde = S ef / S účinnost tělesa chladiče. 5

6 Chlazení VPS h velikost součinitele přestupu tepla závisí na způsobu rozptylu tepla do okolního prostředí a na chladicím médiu. Chladicí médium Měrné teplo C m [Jkg -1 K -1 ] Tepelná vodivost [Wm -1 K -1 ] Hustota [kg m -3 ] Dynamická viskozita [kg m -1 s -1 ] Přestupní součinitel h [Wm -2 K -1 ] vzduch ,027 1,09 1, olej , , voda , Vliv nadmořské výšky na výpočet chladiče Množství vyzářeného tepla je závislá na atmosférickém tlaku a hustotě vzduchu. Nadmořská výška Redukce výkonu Korekční faktor R th(s-a) ,95 1, ,90 1, ,86 1, ,80 1, ,75 1,33 Způsoby chlazení výkonových polovodičových součástek Způsoby chlazení Vzduchové chlazení Air cooled Tepelné trubice Hotpipe Kapalinové chlazení Přirozené natural cooled Nucené forced cooled 6

7 Způsoby chlazení výkonových polovodičových součástek 95% vzduchové nucené chlazení a kapalinové chladicí média vzduch, voda (nebo směs), olej doprava chladicích médií ventilátory a čerpadly tepelný odpor chladiče R thsa je závislý na počtu a umístění VPS Způsoby chlazení výkonových polovodičových součástek Vzduchové chlazení přirozené Vzduch je přirozeným izolujícím prostředím, do kterého může být rozptylován ztrátový výkon. Použitelné do 50W ztrátového výkonu. V aplikacích, kde nelze použít ventilátor -> extrémně velká chladicí plocha. Při vzduchovém chlazení dochází k přestupu tepla dvěma základními mechanismy - radiací a konvekcí. Proudění chladicího vzduchu je způsobeno ohřevem vzduchu tělesem chladiče. Teplota chladiče by neměla být vyšší než C 7

8 Vzduchové chlazení přirozené Vzduchové chlazení přirozené Vzduchové chlazení přirozené chladič SEMIKRON P4 8

9 Vzduchové chlazení přirozené chladič SEMIKRON P4 Vzduchové chlazení nucené Na odvodu tepla se v převážné míře podílí konvekce, odvod tepla radiací lze zanedbat. Nejdůležitější je závislost R thca na rychlosti proudění vzduchu. Pro návrh vzduchotechniky je důležitá závislost tlakové ztráty Δp s na rychlosti proudění chladicího vzduchu. Teplota chladiče by neměla být vyšší než C Vzduchové chlazení nucené 9

10 Vzduchové chlazení nucené chladič SEMIKRON P3 Vzduchové chlazení nucené chladič SEMIKRON P3 Vzduchové chlazení nucené chladič SEMIKRON P3 10

11 Vzduchové chlazení nucené porovnání vlastností vzduchových chladičů tenká základová plocha více žeber tlustá základová plocha méně žeber nižší R thsa vyšší R thsa vlastnosti: nízká přetěžovací kapacita vysoká přetěžovací kapacita krátká časová konstanta dlouhá časová konstanta horší teplotní vyzařování lepší teplotní vyzařování vyšší tlaková ztráta nižší tlaková ztráta citlivost na čistotu prostředí odolnost proti zněčištění Vzduchové chlazení ventilátory Axiální ventilátory Radiální ventilátory Tangenciální a příčně průtočné ventilátory Vzduchové chlazení nucené 11

12 Vzduchové chlazení nucené Tepelné trubice heat pipe Přenos velkých tepelných výkonů při zachování malého rozdílu teplot (cca 2 C) Hermeticky uzavřená trubice s pracovní látkou (voda, alkohol, propanbutan, freon a pod.). Budeme-li jeden konec ohřívat a na druhý umístíme chladič, začne se pracovní médium odpařovat. Na chlazeném konci páry kondenzují a předávají tak teplo, které bylo spotřebováno k odpaření. Kondenzát teče, nebo vzlíná zpět. Tepelné trubice heat pipe 12

13 Tepelné trubice heat pipe vnitřní struktura trubic Tepelné trubice heat pipe příklady chladičů s tepelnými trubicemi Kapalinové chlazení chlazení měničů nejvyššího výkonu (MW) pracovní teplota chladicího média C tepelný odpor chladiče závisí na teplotě chladicí kapaliny vysoká kvalita provedení chladicího okruhu (dimenzování tepelného výměníku, těsnost rozvodů, zajištění neselhání oběhového čerpadla, odvzdušnění chladicího okruhu) čistota chladicí kapaliny 13

14 Kapalinové chlazení Kapalinové chlazení umístění chladičů Kapalinové chlazení zvyšování účinnosti 14

15 Kapalinové chlazení - chladiče Kapalinové chlazení - chladiče Kapalinové chlazení tepelné výměníky 15

16 Kapalinové chlazení - měniče Tepelný odpor styku VPS chladič, R thcs Při montáži VPS na chladič musí být plochy čisté, suché a drsnost povrchu musí splňovat meze dle následujícího obrázku: Tepelný odpor styku VPS chladič, R thcs teplovodivá pasta pro vymezení nerovností a dosažení maximálního teplovodivého spoje se používá teplovodivá pasta TIM Thermal Interface Material Bez teplovodivé pasty (vzduchové mezery) je tepelná vodivost air = 0,03 W/K -> R th = 33,3 K/W! Tepelná vodivost pasty TIM = 0,5 6 W/K -> R th = 2 0,1 K/W! 16

17 Tepelný odpor styku VPS chladič, R thcs Specifická teplotní vodivost materiálů ve výkonovém modulu (SKiM) Tepelný odpor styku VPS chladič, R thcs Optimální tloušťka teplovodivé pasty Měření tloušťky vrstvy teplovodivé pasty Tepelný odpor styku VPS chladič, R thcs Aplikace teplovodivé pasty 17

18 Reference Wintrich, A.: Application Manual Power Semiconductors, SEMIKRON International GmbH Hrzina, P..: Podmínky spolehlivého provozu výkonových polovodičových součástek Jansson, Dick (2010). Heat Pipes. QEX (ARRL) (Jul-Aug2010): 3 9. Retrieved November 14, 2011 Ku, Jentung; Paiva, Kleber; Mantelli, Marcia. Loop Heat Pipe Transient Behavior Using Heat Source Temperature for Set Point Control with Thermoelectric Converter on Reservoir. NASA. Goddard Space Flight Center. Retrieved 14 September Esau D.: Thermal paste application, SEmikron application Note AN děkuji za pozornost Konstrukce polovodičových měničů 18