Busbar Thermal Management: Temperature Rise, Cooling & High-Temperature Dielectrics

La gestión térmica es gestión de fiabilidad, en dos escalas de tiempo muy diferentes. A corto plazo, un punto caliente local, una unión sobrecargada o refrigeración bloqueada, puede destruir una unión de semiconductor instantáneamente. A largo plazo, el calor es lo que mata la barra misma; la temperatura elevada acelera la degradación de los plásticos, que se vuelven frágiles a medida que el calor acelera el entrecruzamiento y pierden toda flexibilidad. El fallo a largo plazo más común de la barra es la fragilidad y fisura del aislamiento, llevando a ruptura eléctrica.

Cifras de vida de referencia por clase de aislamiento, en servicio típico de tracción:

La regla subyacente es la relación de Arrhenius; cada subida de 10 °C reduce a la mitad la vida del aislamiento, y cada bajada de 10 °C la duplica. Para evaluar la vida útil real necesita el perfil de misión, el porcentaje de tiempo pasado a cada temperatura. Saber solo la temperatura pico no es suficiente. Es por eso que pedimos ciclos de servicio, no solo corrientes, cuando dimensionamos una pieza; una pieza que está a 60 °C el 95% del año y a 120 °C el 5% restante vive mucho más que una pieza fijada a 90 °C continuamente.

Las dos escalas de tiempo son fáciles de confundir. Un punto caliente local en una unión IGBT, por refrigeración insuficiente o una sobrecarga momentánea, puede destruir el semiconductor instantáneamente; el dieléctrico de la barra alrededor puede nunca notarlo. El asesino propio de la barra es más lento y silencioso; a medida que el calor acelera el entrecruzamiento en el polímero, la película se vuelve frágil, pierde elongación, se fisura en los bordes, y la fisura se convierte en una trayectoria de ruptura eléctrica. Esa secuencia es por lo que la clase de aislamiento se elige contra el perfil de misión, no contra la sobrecarga momentánea.

El calor generado por unidad de superficie exterior da el flujo térmico, Q = Pérdida / A, en W/m², y la relación de temperatura sigue Q = ΔT / Rt. Este es el análogo exacto de la ley de Ohm; el flujo térmico Q es como la corriente eléctrica, la diferencia de temperatura ΔT es como el voltaje, y la resistencia térmica Rt es como la resistencia eléctrica. Para un flujo dado, mayor Rt significa un punto caliente más caliente.

La Rt total es la suma de cada barrera térmica desde la fuente de calor hasta el ambiente: Rt = Rcond + Rconv + Rrad, conducción a través de la pieza, convección al aire, y radiación al entorno. El objetivo de diseño es reducir a la mitad la Rt total donde pueda; reducir a la mitad Rt duplica la pérdida de potencia permitida para la misma temperatura de punto caliente, o le deja empujar más corriente a través de la misma pieza.

La analogía es lo suficientemente exacta para diseñar. Si quiere el punto caliente más frío, no simplemente añade más cobre; reduce Rt en algún punto del camino desde el conductor con pérdida hasta el ambiente. Las palancas prácticas, en orden de impacto, son las de las siguientes secciones; haga que la superficie exterior disipe calor, luego preocúpese por todo lo interno de la pieza. Note lo que el modelo dice sobre la altitud; el aire delgado baja tanto la convección h como la rigidez de aislamiento, y la mitad térmica de esa desclasificación es solo una h menor en la misma ecuación. Cuando nos pide desclasificar para un sitio de alta altitud, recomputamos Rconv con una h realista para la densidad, no un porcentaje genérico. Para los números del lado de la corriente que emparejan con este modelo, vea nuestra tabla de ampacidad de barra y sus factores de desclasificación.

Dentro de la barra, la resistencia de conducción es Rcond = d / (K × A); distancia de conducción d, conductividad térmica K, sección transversal A. El calor se genera a través del cuerpo del conductor y se conduce a la superficie exterior.

A un flujo de calor de unos 3 W/dm², la caída de temperatura a través de los materiales se ve así:

Conclusión; la resistencia de conducción interna no es el factor limitante. La densidad de pérdida de potencia en una barra es baja, y el cobre y aluminio dispersan el calor extremadamente bien, suavizando el punto caliente por toda la pieza. Incluso un rígido board inter-capa de 6 mm cae solo unos 2.25 °C a través de sí mismo. La tabla tiene una segunda lección; apilar 3, 4 o 6 capas aisladas no calienta el apilado como la intuición espera, porque las capas dieléctricas son resistencias térmicas de escala miligrado, no de escala grado. También explica por qué los conductores delgados paralelos se comportan bien térmicamente; cada borde de lámina está cerca del exterior, por lo que el calor nunca viaja lejos. Donde importan es eléctrico, no térmico; espesor, tensión y margen de DP, como cubre nuestra guía de diseño de descarga parcial. La elección del material conductor por lo tanto importa mucho más por razones eléctricas y mecánicas que por dispersión de calor; profundizamos en ese intercambio en conductores de barra cobre vs aluminio.

Una vez que el calor alcanza la superficie exterior de refrigeración, sale por convección y radiación. La geometría plana y delgada laminada tiene una superficie muy grande para su volumen, una ventaja térmica inherente que un semiconductor empaquetado nunca puede tener. Capacidad típica de flujo de calor por modo de refrigeración:

La razón por la que la refrigeración de la barra es casi un problema resuelto es la proporción; pérdidas de conducción de 10–100 W contra pérdidas de unión IGBT de 1–5 kW. El semiconductor necesita una placa fría diseñada; la barra solo necesita no estar encerrada. En un ejemplo de dimensionado de refrigeración natural con un límite de calentamiento de 30 °C y h = 20 W/m²·K en ambas caras, unos 6 W/dm² pueden disiparse naturalmente; una barra de 25 × 40 cm disipa fácilmente 60 W de esta manera.

Dos notas prácticas. La orientación importa; en refrigeración bilateral medida a 8.5 W/dm², el montaje horizontal dio un calentamiento de 42 °C mientras que el vertical dio 37 °C; la orientación vertical eleva la transferencia total de calor en unos 20%, y el lado horizontal inferior es la superficie menos eficiente. La refrigeración forzada por ventilador eleva h a 50–100 W/m²·K, aumentando la eliminación de calor por un factor de 5–10 y permitiendo aproximadamente 2–3 veces más corrientes que la refrigeración natural. El corolario a evitar; si un inversor de alta potencia se ve forzado a refrigerar por aire en lugar de agua, toda su clasificación cae a unos 40%, y la barra tiene que ser desclasificada con él.

Si dimensiona a mano en lugar de simulación, el orden seguro es; empiece desde la tabla de ampacidad en refrigeración natural, reste la desclasificación por envolvente, luego pregunte si el flujo de aire propio del inversor añade margen. Una barra dentro de un gabinete sellado sin flujo de aire necesita el número conservador; la misma pieza dentro de un apilado refrigerado por ventilador a menudo tiene margen que el número conservador oculta. Los diseños de barra refrigerados por agua existen pero son raros; aparecen cuando la barra se usa deliberadamente como una placa de distribución refrigerada en convertidores de muy alta densidad. Para las otras piezas, el mensaje es simple; diseñe para refrigeración natural, respete la orientación, y deje que el ventilador del inversor ayude.

La radiación sigue la ley de Stefan–Boltzmann; Q̇ = ε × σ × A × (Tsuperficie⁴ − Tentorno⁴), con σ = 5.67 × 10⁻⁸ W/m²·K⁴. La variable interesante es la emisividad ε:

Las consecuencias prácticas vale la pena interiorizarlas. Los metales desnudos apenas irradian, ε ≈ 0.04, mientras que las superficies pintadas alcanzan unos 0.9–0.95 independientemente del color. En una pieza refrigerada naturalmente, la radiación contribuye aproximadamente al 40% de la eliminación total de calor y la convección unos 60%, por lo que laminar o pintar la cara exterior de negro realmente baja la temperatura del conductor. Ejemplo medido en la misma barra; una superficie exterior pintada de negro dio un calentamiento de 44 °C; cobre desnudo con solo pequeños parches de cinta dio 70 °C, una diferencia de 26 °C, aproximadamente un 40% menos de temperatura. Es contraintuitivo, porque espera que el aislamiento añadido caliente la pieza.

Por qué el aislamiento pintado baja la temperatura? La emisividad de la película o pintura, alrededor de 0.9, reemplaza la del cobre desnudo, alrededor de 0.03, por lo que la pieza irradia mucha más energía de onda larga. Una vez que la refrigeración forzada por ventilador domina, la radiación se vuelve despreciable, que es por lo que los disipadores de aire forzado usualmente se dejan como aluminio sin recubrir mientras que los de refrigeración natural se pintan de negro. Una consecuencia más para el suelo de producción; un borde de cobre desnudo dejado expuesto por una máscara sobredimensionada no es solo una preocupación de aislamiento, es un punto caliente rodeado por una pieza que no puede irradiar. Mantenga la cara exterior cubierta, y todo el apilado corre más frío.

Un consejo de medición; una cámara IR no puede leer correctamente conductores desnudos, porque emiten casi ninguna radiación de onda larga y la superficie refleja la vista de la cámara. Pinte el punto de negro antes de medir. En la primera pieza este calentamiento se mide y documenta bajo nuestro proceso de ensayo de barra in situ, para que la clasificación liberada coincida con la ejecución medida.

El dieléctrico es lo que fija la temperatura continua máxima del ensamblaje. RTI, Índice de Temperatura Relativa, se define bajo UL 746 como la temperatura a la que una propiedad clave, elongación mecánica o rigidez de ruptura eléctrica, retiene la mitad de su valor inicial durante al menos 20 000 horas. El aislamiento de poliéster estándar clasificado a 105 °C muestra aproximadamente 60 000 horas de vida a 105 °C en ensayo de ruptura eléctrica.

Leyendo los números operacionalmente; una película de 105 °C a un punto caliente de 80 °C tiene aproximadamente 25 años por delante en servicio de tracción; una película de 130 °C a 100 °C tiene unos 40. La palanca comercial corre también en la otra dirección; en lugar de encoger el conductor para alcanzar un objetivo de temperatura, subir a un dieléctrico clasificado a 130 °C le deja empujar más corriente a través de una sección de cobre sin cambios, actualizando la clasificación de potencia de un diseño existente sin re-ingenierizar el apilado.

Así es como las plataformas de tracción y los inversores renovables usualmente compran margen extra. En convertidores de tracción, donde oscilaciones amplias de temperatura y humedad encuentran objetivos largos de servicio, el grado de 130 °C con clasificación de humedad extendida es la elección establecida; vea nuestra página de barra de tracción ferroviaria. En inversores renovables que corren esencialmente continuamente, compra margen cuando el espacio de refrigeración es estrecho; vea inversores solar y eólico.

Cuándo no subir; si su punto caliente ya está bien por debajo de la clasificación de la película, un dieléctrico de 130 °C no le compra nada más que coste y espesor. El caso de actualización es específicamente cuando la sección transversal del conductor está constreñida, por peso, espacio o utillaje, y la clasificación dieléctrica es la forma más barata de recuperar la clasificación perdida. El patrón a lo largo de esta guía se repite; la resistencia limitante está en la superficie, no dentro de la pieza. Si recuerda un número, recuerde la participación del 40% de radiación en una pieza refrigerada naturalmente. Envíenos ambos escenarios a través de nuestro servicio de diseño de barra laminada a medida y le mostraremos el intercambio en lugar de asumir. La selección de material se cubre en profundidad en nuestra guía de selección dieléctrica, y la lista de verificación general de liberación está en la guía de diseño de barra laminada.

Por encima de unos cientos de amperios en una envolvente confinada, la barra nunca es el único elemento en la lista de materiales térmicos. El calentamiento del conductor está limitado en parte por la refrigeración que provee su entorno, por lo que la barra, los módulos de potencia y el hardware de extracción de calor se co-diseñan en lugar de dimensionarse por separado. Los datos de referencia lo demuestran claramente; una interfaz de pinza de alta corriente clasificada 400 A máximo cae a unos 240 A a un calentamiento de 30 °C, y las familias de contacto ciego operan 175–265 A a la misma referencia de 30 °C; la desclasificación la fija la temperatura de unión, no el área de cobre sola.

Las opciones de hardware de refrigeración que se emparejan con ensamblajes de alta corriente forman una escalera familiar:

• Dissipadores de calor de aluminio extrudido — las extrusiones de una pieza dan una gran superficie de refrigeración a bajo coste, con una amplia biblioteca de perfiles estándar.
• Dissipadores de aletas unidas — para servicios de convección forzada de alta potencia donde la relación de aletas de una sola extrusión ya no es suficiente.
• Placas y bloques de enfriamiento líquido — el camino realista cuando la densidad de potencia sube más allá de lo que el aire forzado puede transportar.
• Abrazaderas SCR — presionan el apilado del dispositivo contra su placa fría con fuerza conocida.

La regla práctica que aplicamos en nuestro servicio de revisión DFM de barra es simple; una vez que las clasificaciones continuas superan aproximadamente 200 A dentro de un volumen sellado, trate la barra y su refrigeración como un solo problema de diseño. El propio laminado ya ayuda; un apilado plano presenta una gran superficie radiante y convectiva, y una superficie exterior laminada con película alcanza una emisividad cercana a 0.9 contra aproximadamente 0.03 para cobre pulido desnudo. Pero la convección natural rara vez resuelve la cuestión en las densidades más altas, y el aire forzado; luego la refrigeración líquida; se convierte en el margen que permite que el mismo cobre transporte más corriente.

Cómo se computa ese intercambio, con desclasificación por ambiente, agrupación y envolvente, se desarrolla en la tabla de ampacidad de barra, y el lado de pérdidas de la ecuación; inductancia de bucle y pérdidas de conmutación que el disipador también debe absorber; se cubre en el diseño de barra de baja inductancia. El mismo patrón de co-diseño es rutina en barras de inversor y UPS, donde la barra DC-link, la etapa de potencia y la placa fría se liberan como un solo paquete. Cada liberación de alta corriente se verifica por calentamiento bajo nuestro proceso de ensayo de barra in situ antes del envío.