De onderschatting van systeemkoeling
Met meer dan 40 jaar ervaring in vermogenselektronica heb ik waarschijnlijk meer dan duizend verschillende ontwerpen van elektrische systemen gezien. Voor mij is duidelijk geworden dat het belang van thermische huishouding en het kiezen van de juiste heatsinks bij het ontwerp van vermogenselektronica nog wel eens wordt onderschat. Vaak richt de ontwerpend ingenieur zich vooral op het kiezen van de juiste halfgeleiders en de besturingselektronica.
Maar let op, de thermische huishouding van het systeem inclusief de juiste heatsink is net zo belangrijk!
“Een goed ontworpen, compact maar betrouwbaar systeem vraagt om een perfecte harmonie van vermogensdissipators en de voorzorgsmaatregelen die worden genomen om “het koel te houden”!
Koelprincipes
Allereerst moet de koeling van het elektrische systeem ervoor zorgen dat de maximaal toegestane junctietemperatuur van de halfgeleiders en andere componenten die warmte afvoeren, onder de slechtste omstandigheden, nooit het gespecificeerde maximum zal overschrijden. Nog beter: blijf er ruim onder om een veiligheidsmarge te verzekeren.
Maximale temperaturen berekenen
Het berekenen van temperaturen is niet veel magie als alle vereiste parameters goed gedefinieerd zijn.
Het gedissipeerde vermogen maal de som van de in serie geschakelde thermische weerstanden leidt tot de temperatuursprong (ΔT). Als je dit optelt bij de maximale omgevingstemperatuur, krijg je de maximale (junctie)temperatuur.
De levensduur van componenten is sterk afhankelijk van hun temperatuur en meer nog van hun temperatuurvariatie. Dit geldt met name voor systemen die een belastingsvermogen moeten beheersen dat sterk varieert in de tijd.
Temperatuurvariatie heeft een grote invloed op de mechanische belasting van componenten en moet daarom zoveel mogelijk worden beperkt, afhankelijk van de vraag naar de levensduur. Denk aan de verbindingsdraden die de halfgeleiderchips in contact brengen met de buitenwereld!
Door het koelsysteem te overdimensioneren worden de maximale temperaturen en daarmee de maximale temperatuurvariatie beperkt en wordt de levensduur verlengd.
Heatsinks voor vermogenselektronica
Het verlagen van de temperaturen, veroorzaakt door de dissipatie van de relevante componenten van een systeem, kan worden bereikt door het meest geschikte koellichaam voor een specifieke toepassing te selecteren.
De heatsink leverancier is de partij om het best mogelijke advies te krijgen. Een professionele fabrikant kan de temperatuurafwijking binnen de heatsink adequaat simuleren, nauwkeurig de hotspots en de relevante waarden weergeven, op basis van de applicatie-informatie laten zien welke componenten op welke locatie van de heatsink moeten worden gemonteerd en het gedissipeerde vermogen per component.
Afhankelijk van het vermogen van een systeem kan er gekozen worden voor de volgende type heatsinks voor vermogenselektronica: (in volgorde van laag naar hoog vermogen)
Convectie gekoelde heatsink
Warmte zal een “schoorsteeneffect” veroorzaken, wat betekent dat warme lucht verticaal zal stijgen. De heatsink (ofwel een standaard geëxtrudeerd of een op maat gemaakt profiel) moet daarom zo worden gemonteerd dat de lamellen verticaal gepositioneerd zijn om een optimale luchtstroom langs deze lamellen te genereren wat leidt tot een optimaal gebruik van de heatsink. De ontwerper moet ervoor zorgen dat de lucht de warmte vrijelijk kan overbrengen door ruimte onder en boven het koellichaam te laten!
Geforceerd luchtgekoelde heatsink
Een luchtstroom, gegenereerd door een ventilator, zal de thermische weerstand van een koellichaam aanzienlijk verminderen (tot factoren lager in vergelijking met convectiekoeling). Geforceerde luchtkoeling wordt daarom met succes toegepast voor hogere vermogens of compactere ontwerpen. Het spreekt voor zich dat hoe meer de lucht langs de vinnen wordt “gedwongen” door luchtkanalen te creëren, hoe efficiënter het ontwerp zal zijn! Hierdoor is de positie van geforceerde luchtgekoelde heatsinks niet relevant.
Bekijk onze (geforceerde) luchtgekoelde heatsinks
Vloeistofgekoelde heatsink
Voor systemen met een nog hoger vermogen en systemen waar een vloeistofstroomsysteem direct beschikbaar is (zoals maritieme of tractietoepassingen), is vloeistofkoeling zinvol. Een goed ontworpen vloeistofgekoelde heatsink kan indrukwekkend lage thermische weerstanden vertonen, waardoor zeer compacte ontwerpen van systemen met zeer hoog vermogen mogelijk zijn. Speciale aandacht is nodig om de isolatie tussen de vloeistof en de halfgeleider te verzekeren. Bij gebruik van geïsoleerde halfgeleidermodules zijn geen speciale voorzorgsmaatregelen vereist en kan normaal leidingwater worden gebruikt. Wanneer echter hoogvermogen halfgeleiders in schijfbehuizingen worden toegepast, zijn speciale voorzorgsmaatregelen vereist. Er kunnen ofwel elektrisch geïsoleerde maar thermisch geleidende materialen worden gebruikt of, nog beter, koellichamen van aluminiumnitriet.
KWx levert vele gelijkrichters gebouwd met deze AlN heatsinks voor de maritieme industrie. Ze worden in het systeem toegepast om het wisselstroomvermogen van de generator(en) te corrigeren en de DC-bus aan boord te voeden.
Tevens kan overleg met de leverancier van de vermogenselektronica (Astrolkwx) of de fabrikant van de componenten een hoop tijdrovende experimenteren voorkomen. Laat je goed informeren over het gebruik van aangepaste thermische folies of pasta’s en de juiste montage van de halfgeleiders. Dit zal resulteren in een optimaal thermisch ontwerp dat bijdraagt aan de algehele efficiëntie van het systeem.
Heatsinks voor vermogenselektronica in onze productportaal
Astrolkwx heeft een uitgebreid portfolio aan heatsinks van ons gewaardeerde A-merk Mecc.AL. We nodigen je uit om ons gloednieuwe productportaal te bezoeken voor een snelle heatsink-tour!
Afbeelding 2: Voorbeeld van een gelijkrichter, met AlN-heatsinks, van 3 kA voor maritieme toepassingen.
