Chlazení polovodičových součástek

Výkonové polovodičové systémy – cvičení 2

Chlazení polovodičových součástek Joule-Lencův zákon: Všechny elektronické součástky, které vykazují elektrický činný odpor, produkují při průchodu elektrického proudu teplo. P = R ⋅ I 2 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 ƒ Přirozené – chlazení je použitelné pro malé ztrátové výkony maximálně do 100W. ƒ Nucené – odvod ztrátového výkonu do 1kW, 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,…). ƒ s uzavřeným okruhem ƒ s otevřeným okruhem • Tepelné 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 1kW. Přední nevýhodou těchto chladičů je jejich nedostatečná tuhost a robustnost a jsou tedy pro aplikaci v elektromobilu zcela nevhodné. Ztráty:

PTOT = PCON + PSW - PCON – Ztráty způsobené vedením proudu (convection) - PSW – Ztráty způsobené spínáním polovodičové součástky (switch)

(W; W, W)

a. Ztráty způsobené vedením proudu: (vztaženo pro diodu či tyristor) Rovnice vedení tepla: Δϑ = PF ⋅ ∑ Rth (Analogie s Ohmovým zákonem: U = R . I ) PFAV = uT 0 ⋅ I F ( AV ) + rd ⋅ I F ( RMS ) 2 , kde: -

-

uT 0 - prahové napětí (katalogový údaj) rd - diferenciální odpor (katalogový údaj) 1 I F ( AV ) = ∫ i ( t ) dt T 1 2 I F ( RMS ) = i ( t ) dt ∫ T

(W; V, A, Ω,A)

(A; s, A) (A; s, A) 1

Výkonové polovodičové systémy – cvičení 2 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: T 1 1 PSW = ∫ WSW ⎡⎣iz ( t ) ⎤⎦ f ( t ) dt T1 0

(W; s, J, A, Hz) Pro konstantní energii i kmitočet, při lineární aproximaci přejde rovnice do tvaru: E E WSW = WSW [ I Z ] = max ⋅ I Z = max ⋅ I Z I Z max I Cnom , (W; J, A, A) kde IZ je proud zátěže, Emax je katalogový údaj, označující ztrátovou energii při zpracovávání maximálního, tj. jmenovitého typového proudu ICnom tranzistoru.

Schéma tepelného obvodu:

PTOT Tj Rthj-c

PTOT – Celkový ztrátový výkon (Power total) Tc

Rthc-a

Analogie s elektrickým obvodem: ƒ Teplota T ≈ napětí V ƒ Tepelný tok P ≈ el. proud I ƒ Tepelný odpor Rth ≈ el. odpor R

Rthj-c – Tep. odpor přechod – pouzdro (junction-case) Rthc-h – Tep. odpor pouzdro - chladič (case-heatsink)

Rthc-h Th Rthh-a Ta

Rthjc-a – Tep. odpor pouzdro - okolí (case-area) Rthh-a – Tep. odpor chladič – okolí (heatsink-area) Tj – Teplota PN přechodu Tc – Teplota pouzdra

Th – Teplota chladiče Ta – Teplota okolí

Tc Tj

Th Ta

2

Výkonové polovodičové systémy – cvičení 2

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 - Neizolovaný s vazelínou - Izolovaný slídou s vazelínou - S podložkou TECOFOIL

Rthc-h = 0,2 – 0,3 K/W Rthc-h = 0,1 – 0,2 K/W Rthc-h = 0,5 – 0,8 K/W Rthc-h = 0,05 K/W

Povrch chladiče – koeficient sálavosti c [-] - Leštěný Al c = 0,05 - Leštěná Cu c = 0,07 - Černý lesklý nátěr c = 0,88 - Černý matný nátěr c = 0,97 Polohu chladiče volíme tak, aby byl zaručen co nejlepší odvod tepla. Příklady: 1. Tranzistor pracuje se ztrátovým výkonem 25W. V katalogu udává výrobce Tj = 120°C, Rthj-c = 1,8K/W. Určete maximální tepelný odpor chladiče (Rthh-a) tak, aby při okolní teplotě Ta = 45°C nebyl tranzistor tepelně přetížen. Dále určete teplotu pouzdra a chladiče. Styk pouzdra s chladičem je neizolovaný suchý (Rthc-h = 0,2K/W).

Řešení: Náhradní schéma tepelných odporů: Zanedbáváme tepelný odpor Rthc-a.

PTOT

T j −c = Rthj −c ⋅ PTOT = 1,8 ⋅ 25 = 45K

Tj

Tc − h = Rthc − h ⋅ PTOT = 0, 2 ⋅ 25 = 5K

Th − a = T j − a − (T j − c + Tc − h ) = 75 − 50 = 25 K

Rthj-c Tc Rthc-h Th

Rthh − a =

Th − a 25 = = 1K / W PTOT 25

Th = Ta + Th − a = 45 + 25 = 70°C Tc = Ta + Th − a + Tc − h = 45 + 25 + 5 = 75°C

Rthh-a Ta

Výkonový tranzistor v plochém kovovém pouzdře má parametry: - Tj = 155°C - Rthj-c = 13K/W - Rthc-a = 20K/W - Ta = 25°C

3

Výkonové polovodičové systémy – cvičení 2

a. Určete maximální výkonové zatížení bez chlazení. b. Určete tepelný odpor chladiče pro výkonové zatížení 9W.

Řešení: a. PTOT =

Tj −a Rthj −c + Rthc − a

=

130 = 3,9W 33

Rthj − h = Rthj −c + Rthc − h = 13 + 0,1 = 13,1K / W b. T j − h = PTOT ⋅ Rthj − h = 117,9 K

Rthh − a =

T j −a − T j −h PTOT

=

12,1 = 1,3K / W 9

2. Určete ztrátový výkon tyristoru T944-200-14, je-li zapojen jako jednopulsní usměrňovač s řídícím úhlem α = π/3. Amplituda proudu na zátěži je 100A.

Řešení:

PFAV = U T 0 ⋅ I FAV + rd ⋅ I FRMS 2 Z katalogu: UT0 = 0,87V, rd = 0,85.10-3Ω π

T

I FAV

π I 1 1 1,5 ⋅100 I m ⋅ sin ( t ) dt = m ⎡⎣ − cos ( t ) ⎤⎦ π = = ∫ i ( t ) dt = = 23,87 A ∫ T 0 2π π 2π 2π 3 3 T

I FRMS 2 =

1 1 2 i ( t ) dt = ∫ T 0 2π

PFAV = U T 0 ⋅ I FAV + rd ⋅ I

π

2 ∫ I m ⋅ sin ( t ) dt = 2

π

3 2 FRMS

Im2 2π

π

1 ⎤ ⎡ 1 t t t ⎥ = 2011A2 cos sin − ⋅ + ( ) ( ) ⎢⎣ 2 2 ⎦π 3

−3

= 0,87 ⋅ 23,87 + 0,85.10 ⋅ 2011 = 22, 47W

3. Určete odpovídající chladič pro tento tyristor. - PTOT = (předcházející příklad) - Rthj-c = 0,158K/W - Rthc-h = 0,05K/W – teplovodivé podložka TECOFOIL - Rthh-a = ? - Ta = 65°C - Tjmax = 125°C Řešení:

T j − a = T j − Ta = 125 − 65 = 60 K T j − h = PTOT ⋅ ( Rthj −c + Rthc − h ) = 23,88 ⋅ ( 0,158 + 0, 05 ) = 4,97 K Rthh − a =

T j −a − T j −h PTOT

=

60 − 4,97 = 2,3K / W 23,8

4

Výkonové polovodičové systémy – cvičení 2 4. Určete oteplení tyristoru z 1. příkladu, je-li namontován na doporučený chladič při Ta = 35°C. 5. Určete parametry chladiče pro diodu, jejíž PFAV = 40W, Rthj-c = 0,9K/W, Rthc-h = 0,25K/W, Ta = 30°C a Tj = 130°C. 6. Určete teplotu přechodu pouzdra diody z předchozího příkladu.

5