طراحی سیستم حرارتی در ماژول های الکترونیک قدرت

طراحی حرارتی ماژول الکترونیک قدرت filioos آموزش مهندسی برق قدرت

بیش‌ترین دمای قابل تحمل در یک قطعه نیمه‌هادی به عنوان دمای‌ذاتی[۱] یا  شناخته می‌شود. در این دما چگالی حامل‌های اقلیت با چگالی حامل‌های اکثریت برابر می‌شود. برای مثال، در یک دیود سیلیکونی با چگالی دهنده  ۱۰ به توان ۱۴ دمای ذاتی ۲۸۰ درجه سانتی‌گراد است. چنان‌چه دمای پیوند از این مقدار بیش‌تر شود خاصیت یکسوکنندگی دیود از بین می‌رود و ناحیه تخلیه درون پیوند نیز با افزایش چگالی حامل‌های اقلیت به صورت اتصال کوتاه در می‌آید.

با این حال، حداکثر دمای ذاتی مشخص شده در برگه‌های اطلاعات[۲] مربوط به هر قطعه نیمه‌هادی بسیار کمتر از این مقدار است. به طور معمول با افزایش دمای داخلی، توان تلفاتی در نیمه‌هادی قدرت افزایش می‌یابد و این تلفات حتی در دماهای نزدیک به ۲۰۰ درجه سانتی گراد بسیار زیاد می‌شود. به همین دلیل کارخانه‌های تولید‌کننده معمولاً پارامترهای هر قطعه(مانند ولتاژ حالت وصل، زمان‌های کلیدزنی و تلفات کلیدزنی) را به ازای یک دمای مشخص(معمولاً ۱۲۵ درجه سانتی گراد) تعیین می‌کنند.

در طراحی تجهیزات الکترونیک قدرت، به ویژه برای دماهای محیط زیاد، طراحی سیستم حرارتی باید در مراحل اولیه طراحی در نظر گرفته شود. مواردی مانند اندازه و وزن heat sink، محل قرار گرفتن آن و دمای محیط اطراف باید در ابتدای فرایند طراحی مشخص شوند. همچنین باید امکان گرم شدن سیستم توسط خورشید، به عنوان بخشی از  شرایط برای بدترین حالت طراحی[۳]، در نظر گرفته شود.

  • انتقال حرارت از طریق مقاومت حرارتی[۴]

هنگامی که در دوسر جسمی (مانند ‏شکل ۲-۱ ) اختلاف دما ایجاد شود، شاری از انرژی درون آن ایجاد می‌شود. میزان شار این انرژی بر واحد زمان، یعنی توان، با استفاده از رابطه ‏(۲-۱) محاسبه می‌شود.

در این فرمول  اختلاف دما(بر حسب درجه کلوین یا درجه سانتی گراد )، A سطح مقطع (بر حسب متر مربع)، d طول (بر حسب متر) و  ضریب هدایت پذیری حرارتی[۵] جسم مورد نظر را نشان می دهند.

  • انتقال حرارت از طریق مقاومت حرارتی[۲]

مقاومت حرارتی در طول هر مسیر انتقال انرژی از رابطه ‏(۲-۲) محاسبه می‌شود:

در اغلب موارد حرارت ایجاد شده در قطعه باید از مسیری متشکل از مواد مختلف عبور کند. هر یک از این مواد، هدایت حرارتی، سطح مقطع و ضخامت‌های مختلفی دارند. یک نمونه از چنین حالتی در ‏شکل ۲-۲  نشان داده شده است. در این حالت مقاومت حرارتی بین پیوند و محیط بیرون از رابطه ‏(۲-۴) محاسبه می‌شود.

تولید کنندگان ادوات قدرت سعی می‌کنند تا مقاومت حرارتی هر قطعه را تا حد ممکن کاهش دهند. به همین منظور هنگام طراحی و ساخت هر قطعه سعی می‌شود تا طول d حداقل مقدار، و سطح مقطع A بیش‌ترین مقدار را داشته باشد. همچنین باید میزان هدایت پذیری حرارتی را در قطعات مختلف با در نظر گرفتن جنس و مشخصات هندسی مورد استفاده افزایش داد تا مقاومت حرارتی کاهش یابد.

  • مقاومت حرارتی برای ساختاری چندلایه[۲]
  • Heat Sink

نگه داشتن درجه حرارت محل اتصال یک نیمه‌هادی قدرت در محدوده مناسب نیازمند رعایت مواردی هم از سوی تولید کننده و هم از سوی مصرف کننده است. مقاومت حرارتی هر قطعه به اندازه حداقل مقدار ممکن توسط کارخانه تولید کننده ساخته می‌شود. کاربر نیز باید مسیر انتقال حرارت بین قطعه و محیط بیرون را به گونه ای طراحی کند تا مقاومت حرارتی این مسیر به حداقل برسد تا در نهایت دمای پیوند در محدوده ناسب باشد. انتخاب heatsimk مناسب وابسته به این امر است که هر پیوند تا چه اندازه توانایی تحمل افزایش دما را دارد. پس از مشخص شدن مقدار دمای مجاز برای هر قطعه، می‌توان با استفاده از اطلاعات موجود در برگه های اطلاعاتی heatsink مناسب را (مانند ‏شکل ۲-۳ ) انتخاب کرد.

  • تعدادی از heat sinkهای موجود در بازار[۲]

[۱] Intrinsic

[۲] Data Sheet

[۳] Design for Worst Case

[۴]Thermal Resistance

[۵] Thermal Conductivity

فیلیوس

برق قدرت

نوشته‌های مرتبط

قوانین ارسال دیدگاه

  • دیدگاه های فینگلیش تایید نخواهند شد.
  • دیدگاه های نامرتبط به مطلب تایید نخواهد شد.
  • از درج دیدگاه های تکراری پرهیز نمایید.
دیدگاه‌ها

*
*