9/10/2012
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
tj
j
teplota přechodu
c
case
pouzdro
tc
c
teplota pouzdra
s
heatsink
chladič
ts
s
teplota chladiče
a
ambient
okolí
ta
a
teplota okolí
KPM 2012/2013
Rthjc Rjc
tepelný odpor přechod-pouzdro
Rthcs Rcs
tepelný odpor pouzdro-chladič
Rthsa Rsa
tepelný odpor chladič-okolí
Cthc
Cc
tepelná kapacita pouzdra
Cths Cs
tepelná kapacita chladiče
Způsoby chlazení VPM, náhradní tepelná schémata
Petr Vaculík
1
9/10/2012
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 Tjmin a nejvyšší teplotou Tjmax 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 = Pth 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: Rht je tepelný odpor
2
9/10/2012
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 Cth přes odpor Rth.
Tepelný odpor a přechodná tepelná impedance • Teplo vzniká průchodem proudu v křemíkové destičce a je rozptylováno chladičem do okolí chladiče o teplotě Ta. • Vzniká-li v součástce ztrátový výkon Pz, je možno teplotu křemíkové destičky Tj vyjádřit vztahem: kde Zth ja(t) je přechodná (transientní) tepelná impedance, která narůstá s časem t
Analogie tepelných a elektrických veličin
3
9/10/2012
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. Tj – teplota přechodu Tc – teplota pouzdra Ts – teplota chladiče Ta – teplota okolí Pth – 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
9/10/2012
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 Zth (t) • V případě obdélníkového impulsu ztrátového výkonu s délkou obdélníku tp je:
Proudová zatížitelnost, typový proud VPS • Proudová zatížitelnost součástky závisí: – – – –
na parametrech součástky UTO, rT a Tjmax na pracovním režimu Won, Woff, podmínkách chlazení Ta, Rthja 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, Rthsa zabezpečuje přestup tepla z tělesa chladiče do okolního prostředí.
• Vzhledem ke konečné tepelné vodivosti materiálu chladiče není teplota povrchu ve všech místech stejná -> Sef < S
kde = Sef / S – účinnost tělesa chladiče.
5
9/10/2012
Chlazení VPS h – velikost součinitele přestupu tepla – závisí na způsobu rozptylu tepla do okolního prostředí a na chladicím médiu. Chladicí médium
Měrné teplo Cm [Jkg-1K-1]
Tepelná vodivost [Wm-1K-1]
Hustota [kg m-3]
Dynamická viskozita [kg m-1s-1]
Přestupní součinitel h [Wm-2K-1]
vzduch
1006
0,027
1,09
1,7.10-5
8 – 20
olej
2130
0,181
850
0,98
540
voda
4180
0,600
995
8.10-3
6500
Vliv nadmořské výšky na výpočet chladiče Množství vyzářeného tepla je závislá na atmosférickém tlaku a hustotě vzduchu. Nadmořská výška
Redukce výkonu
0
1
Korekční faktor Rth(s-a) 1
1000
0,95
1,05
1500
0,90
1,11
2000
0,86
1,16
3000
0,80
1,25
3500
0,75
1,33
Způsoby chlazení výkonových polovodičových součástek Způsoby chlazení
Vzduchové chlazení
Tepelné trubice Hotpipe
Air cooled
Přirozené
Nucené
natural cooled
forced cooled
Kapalinové chlazení
6
9/10/2012
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 Rthsa 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 90 – 100°C
7
9/10/2012
Vzduchové chlazení – přirozené
Vzduchové chlazení – přirozené
Vzduchové chlazení – přirozené chladič SEMIKRON P4
8
9/10/2012
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 Rthca na rychlosti proudění vzduchu. • Pro návrh vzduchotechniky je důležitá závislost tlakové ztráty Δps na rychlosti proudění chladicího vzduchu. • Teplota chladiče by neměla být vyšší než 80 - 90°C
Vzduchové chlazení – nucené
9
9/10/2012
Vzduchové chlazení – nucené chladič SEMIKRON P3
Vzduchové chlazení – nucené chladič SEMIKRON P3
Vzduchové chlazení – nucené chladič SEMIKRON P3
10
9/10/2012
Vzduchové chlazení – nucené porovnání vlastností vzduchových chladičů
tenká základová plocha
tlustá základová plocha
více žeber
méně žeber
nižší Rthsa
vyšší Rthsa 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
9/10/2012
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
9/10/2012
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 50 – 70°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
9/10/2012
Kapalinové chlazení
Kapalinové chlazení – umístění chladičů
Kapalinové chlazení – zvyšování účinnosti
14
9/10/2012
Kapalinové chlazení - chladiče
Kapalinové chlazení - chladiče
Kapalinové chlazení – tepelné výměníky
15
9/10/2012
Kapalinové chlazení - měniče
Tepelný odpor styku VPS – chladič, Rthcs • Při montáži VPS na chladič musí být plochy čisté, suché a drsnost povrchu musí splňovat meze dle následujícího obrázku:
Tepelný odpor styku VPS – chladič, Rthcs 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 -> Rth = 33,3 K/W ! • Tepelná vodivost pasty TIM = 0,5 – 6 W/K -> Rth = 2 – 0,1 K/W !
16
9/10/2012
Tepelný odpor styku VPS – chladič, Rthcs Specifická teplotní vodivost materiálů ve výkonovém modulu (SKiM)
Tepelný odpor styku VPS – chladič, Rthcs Optimální tloušťka teplovodivé pasty
Měření tloušťky vrstvy teplovodivé pasty
Tepelný odpor styku VPS – chladič, Rthcs Aplikace teplovodivé pasty
17
9/10/2012
Reference Wintrich, A.: Application Manual Power Semiconductors, SEMIKRON International GmbH 2010 http://hrzinap.wz.cz/vyuka/X13KVE/prednes/prednes_07.pdf Hrzina, P..: Podmínky spolehlivého provozu výkonových polovodičových součástek www.semikron.com www.powerguru.org 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 2011. Esau D.: Thermal paste application, SEmikron application Note AN-10-001
děkuji za pozornost
Konstrukce polovodičových měničů
18
