28.02.2021

Системы контроля температуры оптимизируют охлаждение в силовых конструкциях

В отличие от своих маломощных аналогов, силовые устройства, такие как MOSFET, IGBT, силовые диоды и тиристоры, выделяют значительное количество тепла. Следовательно, эффективное управление температурой имеет решающее значение для обеспечения надежности и оптимального срока службы силовой электроники, включая устройства, изготовленные из полупроводниковых материалов с высокой рабочей температурой и широкой запрещенной зоной (WBG).

В принципе, срок службы полупроводника обратно пропорционален температуре перехода (TJ), достигаемой во время работы. Чем лучше отвод тепла от компонента, тем больше вероятность, что он достигнет максимального ожидаемого срока службы. Для большинства компонентов на основе кремния максимальное значение TJ, обеспечивающее безопасную работу устройства, составляет примерно 150 ° C; для IGBT максимальная температура перехода составляет 175 ° C.

Основы терморегулирования

Температура электронного компонента повышается во время его работы, пока тепло, выделяемое внутри устройства, не сравняется с теплом, рассеиваемым в окружающей среде, достигая состояния равновесия. Закон охлаждения Ньютона гласит, что скорость рассеивания тепла пропорциональна разнице температур между корпусом компонента и внешней средой. Когда возникает разница температур, тепло течет из высокотемпературных зон в зоны с более низкими температурами аналогично току, создаваемому разностью электрических потенциалов.

Теплопроводность (k) — это величина, которая выражает способность материала проводить тепло, и указывается в ваттах на метр-Кельвин (Вт / мК) или в ваттах на сантиметр-Кельвин (Вт / см-К). Зная K, тепловое сопротивление (θ) объема материала можно получить по формуле:
θ = L / (K × A),
где L — длина или толщина материала в метрах, K — теплопроводность материала. материал, а A — площадь поперечного сечения в м 2 .

Как правило, устройство с тепловым сопротивлением, равным 100 ° C / Вт, будет демонстрировать перепад температур в 100 ° C для рассеиваемой мощности 1 Вт, измеренный между двумя контрольными точками. Если управление температурным режимом не выполняется должным образом, температура, достигнутая в точке равновесия, может быть слишком высокой, что ухудшает производительность устройства и, возможно, вызывает его выход из строя. Те же соображения, что и для одного силового устройства, можно применить ко всей схеме или электронной плате.

Решения по охлаждению

Для поддержания температуры перехода в безопасных пределах могут применяться различные решения по охлаждению. В идеале, учитывая его важность для долговечности силовой электроники, управление температурным режимом следует решать на начальных этапах проектирования.

Скорость рассеивания тепла выше, если компонент подвергается принудительному потоку воздуха; поэтому первый способ охлаждения компонента — это использовать вентиляторы. Важно выбрать правильный размер и скорость вращения для конструкции, а для приложений, в которых несколько карт размещаются в одной стойке, может потребоваться спроектировать механическую часть таким образом, чтобы обеспечить регулярный поток воздуха.

Большая часть тепла, производимого компонентом, рассеивается через его внешнюю поверхность. Отсюда следует, что еще один метод улучшения рассеивания тепла — искусственное увеличение поверхности устройства путем подключения его к радиатору с высокой теплопроводностью. Радиаторы изготавливаются с использованием процессов штамповки, экструзии или литья на таких материалах, как алюминий, медь или сплавы, полученные из этих металлов. Радиаторы обычно имеют ребристую структуру, чтобы максимально увеличить полезную поверхность для охлаждения. Для дальнейшего улучшения охлаждения используются один или несколько вентиляторов, которые создают поток принудительного воздуха к радиатору. Нанесение теплопроводной пасты позволяет уменьшить зазор между компонентом и радиатором, снижая тепловое сопротивление в точках контакта между ними.

Если необходимо отвести большое количество тепла, как в случае больших импульсных источников питания, вентиляторов и радиаторов может оказаться недостаточно. В таких случаях можно использовать такие методы, как жидкостное охлаждение, тепловые трубы и ячейки Пельтье.

Правильное управление температурой начинается с конструкции печатной платы: ширина и толщина дорожек, тепловые переходы и большие площади меди сильно влияют на рассеивание тепла. Термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC) — еще одно полезное решение для управления температурным режимом. Из-за своих нелинейных характеристик термисторы PTC имеют низкое сопротивление при комнатной температуре. При повышении температуры сопротивление увеличивается, рассеиваемое тепло увеличивается, и термистор срабатывает, ограничивая ток и понижая температуру устройства.

Наряду с традиционными системами отвода тепла на рынке появляются такие инновационные решения, как термоэлектрические тонкопленочные материалы. Эти материалы, совместимые с современными процессами производства полупроводников, различаются по толщине от нескольких нанометров до нескольких микрометров и позволяют интегрировать функции охлаждения непосредственно в силовые устройства.

Похожим решением является термоэлектрический медный столбик, который объединяет термоэлектрические тонкопленочные материалы в корпус flip-chip. Используя термоэлектрический эффект, это компактное решение (толщина материала несколько микрометров) обеспечивает эффективное охлаждение силовых устройств, лазерных диодов, графических процессоров и FPGA.

Блок управления температурой

Точный мониторинг температуры — ключевая операция во многих приложениях электронной энергетики. Большинство электрических параметров в той или иной степени зависят от температуры. Однако одним из наиболее часто используемых параметров, чувствительных к температуре (TSP), является прямое падение напряжения на диоде, через которое проходит постоянный ток. Типичное решение для единицы измерения температуры (TMU).

Помимо диода, TMU на рисунке 1 включает буфер напряжения, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и логическое устройство. Этот тип интегральной схемы обеспечивает точное измерение температуры в реальном времени, взаимодействуя с хост-системой через высокоскоростные цифровые интерфейсы (I2C, SPI или APB).

Analog Devices предлагает широкий спектр систем контроля температуры. Примером может служить LTC2986, который поддерживает различные датчики измерения температуры и выводит результат в цифровом виде (в ° C или ° F) с точностью 0,1 ° C и разрешением 0,001 ° C. LTC2986 может измерять температуру практически всех стандартных (типа B, E, J, K, N, S, R, T) или заказных термопар, автоматически компенсировать температуры холодного спая и линеаризовать результаты. Устройство также может измерять температуру с помощью стандартных двух-, трех- или четырехпроводных термометров сопротивления, термисторов и диодов. Он включает в себя источники тока возбуждения и схему обнаружения неисправностей, подходящую для каждого типа датчика температуры.

LTC2986-1 — это версия LTC2986 с E2PROM. Устройства LTC2986 / LTC2986-1 (рис. 2) представляют собой 10-канальные программные и совместимые по выводам версии 20-канального LTC2983 / LTC2984. Дополнительные функции включают специальные режимы, которые обеспечивают простую защиту в универсальных многосенсорных приложениях, настраиваемые таблицы для общих показаний АЦП и прямое считывание температуры с активных аналоговых датчиков температуры.

Термопары могут измерять температуру от –265 ° C до более 1800 ° C, генерируя напряжение в зависимости от разницы температур между наконечником (температура термопары) и электрическим соединением на печатной плате (температура холодного спая). Температуру холодного спая можно определить, разместив отдельный датчик температуры (например, диоды, резонансно-туннельные диоды [RTD] или термисторы) на холодном спайе.

Среди приложений — прямые измерения термопар, прямые измерения RTD, прямые термисторные измерения и специальные датчики.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять