Силовая электроника №3'2006

Как выбрать систему охлаждения

Seri Lee Перевод: Александр Савельев


Как выбрать охладитель для системы охлаждения полупроводниковых приборов.


Увеличение теплового рассеяния силовых полупроводниковых приборов при одновременном уменьшении их габаритных размеров приводит к тому, что тепловой расчет изделия становится все более и более важным элементом конструирования. Два свойства - надежность и ожидаемый ресурс работы электронного оборудования - обратно пропорциональны температуре компонентов, входящих в систему. Зависимость между надежностью и рабочей температурой обычного кремниевого полупроводникового прибора показывает, что уменьшение температуры соответствует экспоненциальному увеличению его надежности и ресурса работы. Таким образом, длительное время работы и высокая надежность полупроводникового прибора может быть достигнута за счет эффективного сохранения его рабочей температуры в пределах, установленных разработчиками конструкции изделия.

Система охлаждения - это устройство, которое улучшает теплоотвод от горячей поверхности (обычно это корпус силового модуля) к более холодной окружающей среде - воздуху. В дальнейшем, воздух - это окружающая (охлаждающая) среда. В большинстве случаев тепло передается через контакт между твердой поверхностью полупроводникового прибора и охлаждающим воздухом, что является большой проблемой для отвода тепла. Применение теплоотвода значительно уменьшает барьер для передачи тепла путем увеличения площади поверхности, имеющей прямой контакт с охлаждающей средой. Это дает возможность отвести большее количество тепла или уменьшить рабочую температуру устройства. Основная цель применения системы охлаждения - поддерживать температуру полупроводникового прибора ниже максимально допустимого предела, предусмотренного производителем.

Тепловая схема

Перед обсуждением процесса выбора системы охлаждения необходимо дать определение общим терминам и установить концепцию тепловой схемы. Это необходимо для того, чтобы объяснить базовые понятия теплопередачи для тех читателей, которые не знакомы с данным предметом. Условные обозначения и определения представлены ниже. Q: полная мощность или интенсивность теплового рассеяния (Вт). Определяет интенсивность теплового рассеяния электронного компонента в работе. Для задачи выбора системы охлаждения используется максимальная мощность рассеяния. Tj: максимальная температура кристалла электронного компонента (°C). Приемлемый диапазон значений Tj лежит в пределах от 115 °C (в типовых случаях) и для некоторых устройств может превышать 180 °C. В специальных и военных применениях данная температура не превышает 65-80 °C. Tc: температура корпуса полупроводникового прибора (°C). Поскольку эта температура зависит от места измерения, необходимо определить температуру наиболее горячей точки корпуса. Ts: температура охладителя (°C). Максимальная температура охладителя системы охлаждения в месте, приближенном к компоненту. Ta: температура окружающего воздуха (°C).

Используя эти температуры и уровень теплового рассеяния, количественно эффективность теплопередачи через две нагреваемые зоны можем описать величиной теплового сопротивления R, выраженного как:

R = δT/Q, (1)

где δT есть разница температур между двумя зонами нагрева. Величина теплового сопротивления выражается в °C/Вт, что показывает увеличение температуры на единицу интенсивности теплового рассеяния. Тепловое сопротивление аналогично электрическому сопротивлению δR, рассчитываемому по закону Ома:

R = δV/I, (2)

где δV- разность потенциалов, а I- ток.

Рассмотрим простой случай, где система охлаждения установлена на корпус компонента, как показано на рис. 1. Используя концепцию теплового сопротивления, простейшую тепловую схему данной системы можно изобразить, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Эквивалентная схема теплового сопротивления
Рис. 1. Эквивалентная схема теплового сопротивления

В этой модели тепловой поток движется от p-n-перехода к корпусу, затем через место соединения к системе охлаждения, где и рассеивается в окружающую среду.

Тепловое сопротивление между переходом и корпусом компонента описывается следующим образом:

Rjc= δTjc/Q = (Tj - Tc)/Q. (3)

Это сопротивление определяется технологией изготовления полупроводникового прибора и приводится как справочная (постоянная) величина для данного компонента.

Точно так же тепловое сопротивление "корпус - система охлаждения" и "система охлаждения - окружающая среда" описываются как:

Rcs = δTcs/Q = (Tc - Ts)/Q, (4)

Rsa = δTsa/Q = (Ts - Ta)/Q. (5)

Здесь Rcs - тепловое сопротивление "корпус - система охлаждения", часто называемое переходным сопротивлением. (Эта величина зависит от качества соприкасающихся поверхностей и теплопроводящего материала контакта.) Rca- тепловое сопротивление системы охлаждения.

Таким образом, полное переходное сопротивление "кристалл - окружающая среда" описывается как сумма сопротивлений всех трех переходных зон:

Rja = Rjc + Rcs + Rsa = (Tj- Ta)/Q. (6)

Допустимое тепловое сопротивление системы охлаждения

Чтобы выбрать систему охлаждения, сначала определим величину теплового сопротивления системы охлаждения, удовлетворяющего тепловому критерию компонента. Путем несложного преобразования предыдущего уравнения тепловое сопротивление системы охлаждения можно записать так:

Rsa = (Tj- Ta)/Q- Rjc - Rcs. (7)

В этом выражении Tj, Q и Rjc определяются изготовителем полупроводникового прибора, а Ta и Rcs- параметры, определяемые пользователем.

Температура окружающего воздуха Ta для охлаждения полупроводниковых приборов зависит от рабочих условий эксплуатации, в которых предполагается использовать компонент. Обычно этот диапазон находится в пределах 35-45 °C, если изделие находится на открытом воздухе, и от 50 до 60 °C, если компонент работает в закрытом пространстве или находится в потоке воздуха от какого-либо другого нагревающегося устройства.

Переходное сопротивление Rcs зависит от чистоты поверхности системы охлаждения, его геометрических параметров (неплоскостность), усилия монтажа, площади контакта и, конечно, типа теплопроводящего материала (пасты) и его толщины. Определение величины этого сопротивления - задача довольно трудная, т.к. оно зависит от усилия монтажа и других случайных параметров. Однако более достоверные данные могут быть напрямую получены от производителя материала или от производителя системы охлаждения. Типичные величины для самых распространенных теплопроводя-щих материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Температурные свойства теплопроводящих материалов
Таблица 1. Температурные свойства теплопроводящих материалов

Таким образом, величина теплового сопротивления выбираемой системы охлаждения должна быть равна или меньше величины Rsa, чтобы температура установленного кристалла не превышала заданную производителем величину Tj.

Выбор системы охлаждения

При выборе системы охлаждения, удовлетворяющего требуемым критериям, необходимо исследовать переменные параметры, которые описывают не только свойства самой системы охлаждения, но и характеристики окружающей его системы. Выбор специфического типа охладителя системы охлаждения зависит в основном от его тепловых параметров и условий окружающей среды. Наиболее важно то, что у любой системы охлаждения никогда не может быть единственной величины теплового сопротивления, так как тепловое сопротивление изменяется с внешними условиями окружающей среды.

Выбирая систему охлаждения, необходимо классифицировать воздушный поток, как:

  • естественная конвекция;
  • режим принудительного силового потока;
  • смешанный поток.

Естественная конвекция происходит, когда нет внешних, индуцированных потоков и тепло передается исключительно свободным потоком воздуха, окружающим систему охлаждения. Силовой поток имеет место, когда поток воздуха генерируется механическим устройством, обычно вентилятором. Нет строгого различия между двумя последними потоками. Как правило, считается, что смешанный поток определяется скоростью потока в пределах 1-2 м/с или 200-400 л/мин. Все что выше - силовой поток.

Следующий шаг - определение требуемого объема системы охлаждения. В таблице 2 приведен приблизительный диапазон объемного теплового сопротивления для различных воздушных потоков.

Таблица 2. Диапазон объемных тепловых сопротивлений
Таблица 2. Диапазон объемных тепловых сопротивлений

Объем системы охлаждения для конкретного типа конвекции может быть получен путем деления величины объемного теплового сопротивления на рекомендуемое тепловое сопротивление системы охлаждения. Цифры в таблице 2 служат лишь для прикидочных расчетов на первой стадии выбора размера системы охлаждения. Действительные величины сопротивлений могут отличаться большим разбросом, поскольку зависят от многих других факторов, таких как: реальные размеры системы охлаждения, тип системы охлаждения, вида конвекции, ориентации системы охлаждения по отношению к потоку воздуха, чистоты поверхности системы охлаждения, высоты над уровнем моря и т. д.

Принимая во внимание данные таблицы 2, предполагаем, что конструкция системы охлаждения оптимизирована для этого типа воздушного потока. Несмотря на то, что многие параметры системы охлаждения довольно просто оптимизируются, существует целый ряд критических параметров, существенно влияющих на свойства системы охлаждения. Один из таких параметров - плотность оребрения охладителя системы охлаждения. В системе охлаждения с плоскими ребрами интервал между ними строго зависит от двух величин: скорости потока и длины ребра в направлении потока. Таблицу 3 можно применить для приблизительной оценки оптимального шага ребра для таких систем охлаждения в типовых применениях.

Таблица 3. Зависимость шага ребра от его длины и интенсивности потока
Таблица 3. Зависимость шага ребра от его длины и интенсивности потока

Охлаждающая способность типовой системы охлаждения пропорциональна его ширине в направлении, перпендикулярном потоку воздуха, и примерно пропорциональна площади основания системы охлаждения в направлении, параллельном потоку. Например, увеличение по ширине системы охлаждения в два раза приведет к увеличению теплового рассеяния в два раза, тогда как увеличение длины системы охлаждения в два раза приведет к увеличению теплового рассеяния только в 1,4 раза. Таким образом, если возможно, предпочтительнее идти по пути увеличения ширины системы охлаждения, чем его длины. Также эффект передачи тепла весьма важен и в условиях естественной конвекции, так как она отвечает более чем за 25% общего теплового рассеяния. Кроме того, для усиления теплоотвода с поверхности систему охлаждения необходимо анодировать.

Типы охладителей системы охлаждения

Все охладители могут быть классифицированы по способу изготовления и форме ребер. Основные типы охладителей для силовых применений изготавливаются с использованием самых современных технологий.

  1. Штамповка. Медным или алюминиевым листам металла придается нужная форма при помощи штамповки. Такие охладители традиционно используются для охлаждения маломощных электронных компонентов, имеют низкую цену и невысокую эффективность. Используется там, где не требуется минимизировать габариты конечного изделия, а отработанная и сравнительно простая технология изготовления таких охладителей позволяет достичь высоких показателей производительности, что существенно снижает цену как самого охладителя, так и всего изделия.
  2. Экструзионная технология. Такая технология дает возможность очень точно сформировать требуемую форму ребра охладителя и обеспечить тем самым высокую эффективность теплоотвода. Охладитель изготавливается одним куском заданной ширины (т. н. рельс) и отор-цовывается на необходимую для заказчика длину. При этом форма ребра делается зазубренной, что улучшает свойства охладителя примерно на 10-20%. Однако данная технология накладывает определенные ограничения на геометрию ребра и требует более тщательного подхода к разработке конфигурации охладителя. Типовое соотношение высоты ребра к шагу ребра при толщине ребра 1,3 мм и стандартной экструзии, как правило, не превышает 6. Можно достичь и соотношения 10 при толщине ребра 0,8 мм, однако точность изготовления при этом ухудшится.
  3. Впрессованные или вклеенные ребра. У большинства воздушных охладителей внешние тепловые характеристики можно значительно улучшить, если увеличить зону поверхности охлаждения. Такие охладители используют технологию термоэпоксидного соединения ребра с углублением на базовом основании. Данный процесс позволяет существенно увеличить соотношение высоты ребра к шагу ребра до 20-40, тем самым заметно повысив теплоотвод от охладителя без увеличения объема изделия.
  4. Изогнутые ребра. Гофрированные листы металла (алюминиевые или медные), из которых изготавливаются ребра охладителя, увеличивают площадь внешней охлаждающей поверхности, благодаря чему увеличивается объем охладителя. Такие ребра затем присоединяются к основанию охладителя или непосредственно на охлаждающую поверхность при помощи пайки твердыми припоями. Такая технология не годится для высокопрофильных охладителей по причине неэффективности ребра. Однако такие охладители можно использовать в приложениях, где непрактично или невозможно использование технологий, описанных в пп. 2 и 3.

Рис. 2 показывает типовую зависимость стоимости разных типов охладителей при требуемом тепловом сопротивлении.

Рис. 2. Зависимость стоимости охладителя от теплового сопротивления (для партии)
Рис. 2. Зависимость стоимости охладителя от теплового сопротивления (для партии)

Свойства различных типов охладителей системы охлаждения зависят от воздушного потока, проходящего через охладитель. Определить количественно эффективность различных типов охладителей можно по формуле для коэффициента полезного действия (КПД) теплового потока:

(8)

где - масса потока воздуха, проходящего через охладитель, c- теплоемкость воздуха, - усредненная разница между температурами охладителя и окружающего воздуха. Величины КПД теплового потока, измеренные для различных типов охладителей, приведены в таблице 4.

Таблица 4. Диапазон КПД тепловых потоков для различных типов охладителей
Таблица 4. Диапазон КПД тепловых потоков для различных типов охладителей

Видна и другая закономерность: чем выше КПД охладителя, тем выше и его стоимость.

График тепловых характеристик системы охлаждения

Типовые характеристики вышеописанных охладителей показаны на рис. 3. При этом предполагается, что охлаждаемый полупроводниковый прибор должным образом смонтирован на охладителе, а сам охладитель правильно ориентирован: ребра размещены параллельно направлению конвекции. Кривая (a) показывает зависимость превышения температуры охладителя δTsa от интенсивности теплового рассеяния Q для естественной конвекции. Кривая (a) также предполагает, что охладитель анодирован. Кривая (b) показывает зависимость теплового сопротивления Rca от скорости потока воздуха для принудительного охлаждения. В режиме принудительного потока δTsa прямо пропорциональна Q, следовательно, Rca не зависит от Q и является функцией только скорости потока. Напротив, явление естественной конвекции есть функция нелинейная, при которой непременно δTsa зависит от Q.

Рис. 3. Графики тепловых характеристик типовых охладителей
Рис. 3. Графики тепловых характеристик типовых охладителей

Можно использовать данные графики, чтобы выбрать подходящий охладитель системы охлаждения, а для приложений с принудительной вентиляцией определить минимальную скорость потока, которая бы удовлетворяла температурным требованиям. Если требуемое температурное сопротивление в случае принудительного охлаждения составляет, например, 8 °C/Вт, по кривой (b) получаем величину скорости потока 470 л/мин (2,4 м/с). Для естественной конвекции требуемое тепловое сопротивление Rca, помноженное на Q, даст максимально возможное δTsa при том же самом Q.

Кривая естественной конвекции предполагает оптимальную ориентацию охладителя по отношению к горизонтальной поверхности. Кроме того, скорость потока для кривой принудительной конвекции предполагает приблизительную величину без учета потерь на эффект байпаса. Существуют теоретические исследования эффекта байпаса, на основании которых можно считать, что характеристики охладителей могут ухудшиться вплоть до 50% при одинаковой скорости противопотока [2, 3].

Когда размеры полупроводникового прибора существенно меньше, чем основание охладителя, необходимо учитывать при расчетах добавленное тепловое сопротивление, называемое объемным (распределенным) тепловым сопротивлением. Графики (а) и (б) предполагают, что тепло равномерно распределяется по всему основанию охладителя (то есть объемное тепловое сопротивление не учитывается). Такое объемное тепловое сопротивление может составлять от 5 до 30% общего теплового сопротивления охладителя. Количественная оценка объемного теплового сопротивления в простых аналитических выражениях дана в работе [4].

Другой конструктивный критерий, который необходимо учитывать при выборе системы охлаждения, - это высота над уровнем моря. В отличие от температуры воздуха внутри помещения, которая обычно стабильна, управляема и не находится под влиянием изменения высоты над уровнем моря, давление воздуха в том же помещении зависит от этого параметра. Так, многие электронные системы, установленные существенно выше уровня моря, требуют снижения электрической нагрузки на охладитель, главным образом вследствие уменьшения плотности воздуха на больших высотах.

Таблица 5 показывает зависимость коэффициента уменьшения мощности (кw) для типовых систем охлаждения для разной высоты над уровнем моря (Hs). Например, чтобы определить реальные тепловые свойства систем охлаждения, который будет работать на определенной высоте над уровнем моря, величину теплового сопротивления, полученную из графиков на рис. 3, необходимо разделить на кw.

Таблица 5. Коэффициент снижения мощности в зависимости от высоты над уровнем моря
Таблица 5. Коэффициент снижения мощности в зависимости от высоты над уровнем моря

Литература

  1. Aavid Engineering, Inc. EDS #117. Interface Materials. Jan 1992.
  2. Wirtz R. A., Chen W., Zhou R. Effect of Flow Bypass on the Performance of Longitudinal Fin Heat Sinks // ASME Journal of Electronic Packaging. Vol. 116. 1994.
  3. Lee S.. Optimum Design and selection of Heat Sinks. Proceedings of 1th IEEE Semi-Therm Symposium. 1995.
  4. Song S., Lee S., Au V. Closed Form Equation for Thermal Constriction/Spreading Resistances with Variable Resistance Boundary condition. Proceedings of the 1994 IEPS Technical Conference. 1994.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_03_96.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Доставка технической воды
Кулер, диспенсер, помпа. Формы документов.
autopluss.ru