Tepelné ztráty a chlazení výkonových polovodičových prvků

Tepelné ztráty a chlazení výkonových polovodičových prvků

Projekt ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.

Tepelné ztráty a chlazení

• Perioda spínání řízeného spínače – napětí a proud – označení veličin a časových intervalů:

Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

2


• Základní parametry spínacího procesu polovodič. prvku – podle předchozího grafu Parametr název

popis

𝑈𝐷 ,𝑈𝑅

blokovací napětí

napětí na prvku v závěrném stavu

𝐼𝐷 , 𝐼𝑅

svodový proud

proud prvkem v závěrném stavu (při 𝑈𝐷 , 𝑈𝑅 )

𝐼𝐹 , 𝐼𝑇

propustný proud

proud prvkem v propustném stavu

𝑈𝐹 ,𝑈𝑇

úbytek prop. napětí

napětí na prvku při sepnutí (při IF, IT)

t1, t2

doba zapnutí, vypnutí

T, f

perioda, frekvence

td

doba zpoždění

tr

doba nárůstu

ton

doba zapnutí

ts

doba přesahu

tf

doba poklesu

toff

doba vypnutí

perioda a frekvence spínání, t1 + t2 = T

td + tr = Ton

ts + tf = ToSem zadejte rovnici.ff Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

3


• Vznik tepla v polovodičových prvcích – teplo vytváří ztrátový výkon elektrického proudu v prvku – okamžitý příkon prvku (hlavní i řídící obvod prvku) 𝑝𝑍 = 𝑢 ⋅ 𝑖 = 𝑢𝐷 ⋅ 𝑖𝐷 + 𝑢𝐺 ⋅ 𝑖𝐺

– ztrátová energie za periodu 𝑊𝑍 = 𝑃𝑍𝑎𝑣 𝑇 =

𝑇 0

𝑢𝐷 𝑖𝐷 + 𝑢𝐺 𝑖𝐺 𝑑𝑡

– Celkový ztrátový výkon prvku 1 𝑇 1 𝑃𝑍𝑎𝑣 = 𝑢 ⋅ 𝑖𝑑𝑡 = 𝑇 0 𝑇

𝑇 0

𝑢𝐷 𝑖𝐷 + 𝑢𝐺 𝑖𝐺 𝑑𝑡


4


• Souhrn ztrát na polovodičovém prvku během periody (ztrátový výkon řídící elektrody se většinou zanedbává) – propustné ztráty - 𝑊1 =

𝑡1 𝑢𝐹 𝑖𝐹 𝑑𝑡 0

= 𝑈𝐹 ⋅ 𝐼𝐹 ⋅ 𝑡1

𝑇 𝑢 𝑖 𝑑𝑡 = 𝑈𝐷 ⋅ 𝐼𝐷 ⋅ 𝑡2 𝑡2 𝐷 𝐷 𝑡 zapínací ztráty - 𝑊𝑜𝑛 = 0 𝑟 𝑢𝐷 𝑖𝐹 𝑑𝑡 = (𝑈𝐷 ⋅ 𝐼𝐹 ⋅ 𝑡𝑟 )/2 𝑡 vypínací ztráty - 𝑊𝑜𝑛 = 0 𝑓 𝑢𝐷 𝑖𝐹 𝑑𝑡 = (𝑈𝐷 ⋅ 𝐼𝐹 ⋅ 𝑡𝑓 )/2 𝑡 lavinové ztráty - 𝑊𝑎𝑣𝑎𝑙 = 𝑈𝐷𝑏𝑟 0 𝑎𝑣𝑎𝑙 𝑖𝑎𝑣𝑎𝑙 𝑑𝑡

– závěrné ztráty - 𝑊2 = – –

–

– střední ztrátový výkon:

𝑃𝑍𝑎𝑣 = 𝑊1 + 𝑊2 + 𝑊𝑜𝑛 + 𝑊𝑜𝑓𝑓 + 𝑊𝑎𝑣𝑎𝑙 ⋅ 𝑓


5



6


• 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 TJmax • max. teplota křemíkového polovodičového čipu omezená – tyristory (125-140°C), diody (160°C – 190 °C), tranzistory (140 – 200 °C), • zajištějí teploty součástky pod TJmax – 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


7


• Vedení tepla v tuhé homogenní látce, jednorozměrný př. – tyč, průřez 𝑆, délka 𝑙, plátek 𝑑𝑥, tepelný tok 𝑃0 , tepelná vodivost materiálu 𝜆 d – teplotní spád: P0    S

dx

P0 d   dx  S – pro celou tyč platí (po integraci)

l   1  2  P0 S – zavedení pojmu tepelný odpor Rth (K/W)

 l Rth12   P0   S

l   P0  Rth  P0 S

2  Rth12  P0  1 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

8


• Oteplení prvku – Prvek (čip, základna polovodičového prvku, část chladiče, kompaktní část konstrukce obvodu o objemu V a tepelné kapacitě cV) – Za čas T do prvku přiteče celková tepelná energie (vznik Jouleovým teplem WJ a přívedením tepla z teplejšího prostředí W1 ) a odteče energie W2 (chlazení). – Změna teploty z počáteční 1 na 2 WJ – Výpočet oteplení

WJ  W 2   1 cv V

T

  pZ dt 0

W  W1  W2

  2  1

WJ  W   cv V Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

9


• Chlazení tělesa tekutinou (přestup tepla chladičem do okolního vzduchu) – nelineární – přestup tepla z chladiče do tekutiny (vzduch, plyn, chladící kapalina)

P0  h  S  1  2  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:

v P0  3,9 S 1  2  l 4 v P0  6,0  5 S 1  2  l Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

10


• 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


11


• Přenos tepla radiací – záření absolutně černého tělesa – každé těleso s teplotou vyšší, než je teplota absolutní nuly vyzařuje elektromagnetické záření (Planckův vyzařovací zákon) – emisivita   0...1 T1  1  273,16 – Stefan-Boltzmannova konstanta

  5,67 108 W/m 2 K 4 – velikost vyzařovaného tepelného výkonu



PR      S  T14  T24



– zvýšení emisivity – černý a matný povrch (eloxování hliníku) Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

12


• Elektrický ekvivalent – 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  I  1

2  Rth12  P0  1

2  1  R  I  U – tepelná kapacita

1 2  cv V

T



0

p0 dt  1

1 T U 2   idt  U1 C 0


13


• Přehled ekvivalentních veličin Elektrická veličina

Tepelná veličina

elektrický proud I

A

tok výkonu PZ

W

elektrický potenciál 

V

teplota T

°C, K

elektrické napětí U

V

rozdíl teplot mezi místy 

°C, K

elektrický odpor R

Ω

tepelný odpor Rth

W/K

kapacita C

F

tepelná objemová kapacita CV = cV.V

J/K

měrná el. vodivost σ

S/m

měrná tepelná vodivost λ

J/Kms

elektrický náboj Q

C

energie W

J


14


• Základní schéma systému chlazení výkonového prvků – ustálený stav, použití elektrického ekvivalentu

J  RthJC  RthCH  RthHA  Pav C  RthCH  RthHA  Pav  A H  RthHA  Pav  A pZav – střední ztrátový výkon

RthJC – tepelný odpor přechod čipu  A – pouzdro (základna) RthCH – pouzdro - chladič RthHA – chladič – vzduch (prostředí) J – teplota čipu, C – základny, H – chladiče,  A okolí,


15


• 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)

pZ – okamžitý ztrátový výkon

cJ – tepelná objemová kapacita čipu, cC – základny, cH – chladiče Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

16


• Přechodová tepelná impedance – náhradní funkce ZthJA(t)

t   Z thJA t    Rthi 1  e  i  – průběh změny teploty přechodu prvku při skokovém i 1  přiložení ztrátového výkonu 1W – popsaná parametry Rthi a τi  t  P  Z t  n

J

t   J t   P0   Rthi 1  e  i  i 1  n

   A  



n

J t   P0   Rthi  e i 1


0



thJA



   

A

t

i

 A

17


• Elektrická ekvivalence přechodové tepelné impedance – vzorec je možné modelovat obvodem t   Z thJA t    Rthi 1  e  i  i 1  n

– kde

Ci 

   

i Rthi

– původní tvar křivky ZthjA(t) měřením a modelováním, náhradní parametry Rthi a Cthi 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 Ci a Rthi


18


• Různé průběhy zatěžovacího výkonu ve spínacím režimu Průběh spojitý

J  P0  RthJA  A

Osamocený puls

Periodický puls

t  t0  t1

J max  P0 [ DRthJA 

J t   P0  ZthJA t   A t  t0  t1

J t   P0 

Z thJA t  t0   Z thJA t  t0  t1 

1  D Z thJA T  t1   Z thJA T   Z thJA t1 ]   A D  t1 T JD  D·P0 ·RthJA  A

Skokový průběh

t  t0  j 0  P0  Rthja  a t  t0

 j t   P0  Rthja 

PS  P0 Z thja t   a

– u periodického pulsu vysoké frekvence je možné počítat se systémem jako ustáleným stavem, pro 50 Hz se uvádí korekce Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

19


• Příklad křivky přechodové tepelné impedance včetně uváděných korekcí a náhradních parametrů


20


• Křivky přechodové tepelné impedance výkonového tranzistoru MOSFET – graf z technických specifikací výkonového tranzistoru – pro náhradní obvod jiné schéma, uváděná náhradní parametry.

T


21


• Chlazení polovodičových prvků výkonové elektroniky – základní principy výpočtu – uvažovat především propustné ztráty • spínací a lavinové ztráty by neměli při plném výkonu dosáhnout 10% - 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 UFM, tr, tf) mezní tepelné odpory

– periodický průběh propustného proudu • Výpočet pro střední ztrátový výkon, • pro nižší frekvence - korekce


22


• Určení propustných ztrát u reálných prvků – při optimálním návrhu by propustné ztráty měly tvořit 70 až 90% celkových ztrát – propustný stav • ztráty pro sepnutý stav tran. MOSFET - lineární voltampérová char., pro max. teplotu 2

P1  RdON max  I

DM

 t1  f

• ztráty pro sepnutý stav - diody, BJT tyristory, IGBT - linearizace char.

• komutační ztráty na diodě





P1  rT  I 2 DM  UTO  I DM  t1  f I rrMU R t rr  f Prr  4


23


• 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


24


• 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 (>10 kW)

– Peltierovy články • proud v polovodiči řídí tok tepla


25


• profilované chladiče – hliník nebo měď – volba délky podle požadovaného tepelného odporu – součást konstrukce zařízení

• chladiče pro konkrétní typ pouzdra prvku – např. pro TO220 – část profilu nebo zvláštní výlisek, odlitek (Al, Cu)


26


• Tepelné trubice – 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 50 – 100°C) – vysoká účinnost vzhledem k velikosti


27


• 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


28


• 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 500 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


29


• Základní úlohy – výpočet teploty přechodu – konstrukce (výběr součástky, chladiče - délka)


30


• Literatura 1.

Benda, V.,Papež,V.: Komponenty výkonové elektroniky. ČVUT Praha 2006,. kapitola 2.: Podmínky spolehlivého provozu


31


Děkuji za pozornost

Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.

Tepelné ztráty a chlazení výkonových polovodičových prvků

Recommend Documents