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

Quản lý nhiệt là quản lý độ tin cậy, ở hai thang thời gian rất khác. Trong ngắn hạn, một điểm nóng cục bộ, một khớp quá tải hoặc làm mát bị chặn, có thể phá hủy một tiếp giáp bán dẫn tức thì. Trong dài hạn, nhiệt là thứ giết chính thanh cái: nhiệt độ nâng cao đẩy nhanh suy giảm các chất dẻo, chúng trở nên giòn khi nhiệt đẩy nhanh liên kết chéo và mất mọi độ dẻo. Hỏng thanh cái dài hạn phổ biến nhất là giòn và nứt cách điện, dẫn đến đánh thủng điện.

Các số đời tham chiếu theo cấp cách điện, trong nhiệm vụ kéo điển hình:

Quy tắc nền là quan hệ Arrhenius: mỗi mức tăng 10 °C giảm một nửa đời cách điện, và mỗi mức giảm 10 °C nhân đôi nó. Để đánh giá đời hữu ích thật bạn cần hồ sơ nhiệm vụ, phần trăm thời gian ở mỗi nhiệt độ. Chỉ biết nhiệt độ đỉnh là không đủ. Đó là lý do chúng tôi đòi các chu kỳ nhiệm vụ, không chỉ dòng, khi chúng tôi tính cỡ một phần: một phần nằm ở 60 °C trong 95% năm và 120 °C trong 5% sống lâu hơn nhiều một phần ghim ở 90 °C liên tục.

Hai thang thời gian dễ nhầm. Một điểm nóng cục bộ tại một tiếp giáp IGBT, từ làm mát không đủ hoặc một quá tải nhất thời, có thể phá hủy bán dẫn tức thì; điện môi thanh cái quanh nó có thể chẳng bao giờ để ý. Kẻ giết chính thanh cái chậm hơn và im lặng: khi nhiệt đẩy nhanh liên kết chéo trong polyme, màng trở nên giòn, mất độ giãn dài, nứt tại các mép, và vết nứt trở thành một đường đánh thủng điện. Trình tự đó là lý do cấp cách điện được chọn đối chiếu hồ sơ nhiệm vụ, không phải đối chiếu quá tải nhất thời.

Nhiệt sinh trên đơn vị bề mặt ngoài cho ra từ thông nhiệt, Q = Ploss / A, bằng W/m², và quan hệ nhiệt theo Q = ΔT / Rt. Đây là mô phỏng chính xác của định luật Ohm: từ thông nhiệt Q như dòng điện, chênh lệch nhiệt ΔT như điện áp, và điện trở nhiệt Rt như điện trở. Với một từ thông cho trước, Rt cao hơn nghĩa là một điểm nóng nóng hơn.

Rt tổng là tổng mọi rào cản nhiệt từ nguồn nhiệt đến môi trường: Rt = Rdẫn + Rđối lưu + Rbức xạ, dẫn nhiệt xuyên phần, đối lưu vào không khí, và bức xạ ra môi trường xung quanh. Mục tiêu thiết kế là giảm một nửa Rt tổng nơi bạn có thể: giảm một nửa Rt nhân đôi tổn hao lực cho phép cho cùng nhiệt điểm nóng, hoặc cho bạn đẩy nhiều dòng hơn qua cùng một phần.

Phép loại suy đủ chính xác để thiết kế với nó. Nếu bạn muốn điểm nóng mát hơn, bạn không chỉ thêm nhiều đồng hơn; bạn giảm Rt đâu đó trên đường đi từ vật dẫn tổn hao đến môi trường. Các đòn bẩy thực tế, theo thứ tự tác động, là những cái trong các phần tiếp theo: cho bề mặt ngoài thải nhiệt, rồi lo mọi thứ bên trong phần. Lưu ý điều mô hình nói về độ cao: không khí loãng hạ cả đối lưu h và độ bền cách điện, và nửa nhiệt của giảm định mức đó chỉ là một h nhỏ hơn trong cùng phương trình. Khi bạn đòi chúng tôi giảm định mức cho một vị trí cao độ, chúng tôi tính lại Rđối lưu với một h thực tế cho khối lượng riêng, không phải một phần trăm chung. Cho các con số phía dòng ghép với mô hình này, xem bảng dòng định mức thanh cái của chúng tôi và các hệ số giảm định mức của nó.

Bên trong thanh cái, điện trở dẫn nhiệt là Rdẫn = d / (K × A): khoảng cách dẫn nhiệt d, độ dẫn nhiệt K, tiết diện A. Nhiệt sinh xuyên khối vật dẫn và dẫn ra bề mặt ngoài.

Ở một thông lượng nhiệt khoảng 3 W/dm², sụt nhiệt xuyên các vật liệu trông như thế này:

Kết luận: điện trở dẫn nhiệt nội không phải yếu tố giới hạn. Mật độ tổn hao lực trong một thanh cái là thấp, và đồng và nhôm tản nhiệt cực tốt, làm mượt điểm nóng xuyên toàn phần. Ngay cả một tấm liên-lớp cứng 6 mm chỉ sụt khoảng 2.25 °C xuyên chính nó. Bảng có một bài học thứ hai: xếp chồng 3, 4 hoặc 6 lớp cách điện không làm nóng chồng lớp theo cách trực giác kỳ vọng, vì các lớp điện môi là các điện trở nhiệt ở thang milliđộ, không phải thang độ. Nó cũng giải thích tại sao các vật dẫn mỏng song song hành xử tốt về nhiệt: mọi mép lá nằm gần bên ngoài, nên nhiệt không bao giờ đi xa. Nơi chúng có ý nghĩa là điện, không phải nhiệt: chiều dày, điện áp và biên độ PD, như được phủ trong hướng dẫn thiết kế phóng điện cục bộ của chúng tôi. Lựa chọn vật liệu vật dẫn do đó có ý nghĩa nhiều hơn về lý do điện và cơ khí hơn là về tản nhiệt; chúng tôi đi sâu hơn vào đánh đổi đó trong vật dẫn thanh cái đồng và nhôm.

Một khi nhiệt đến bề mặt làm mát ngoài, nó rời bằng đối lưu và bức xạ. Hình học ép lớp phẳng, mỏng có một bề mặt rất lớn cho thể tích của nó, một lợi thế nhiệt tích hợp mà một bán dẫn đóng gói không bao giờ có. Khả năng thông lượng nhiệt điển hình theo chế độ làm mát:

Lý do làm mát thanh cái gần như một bài toán đã giải là tỷ lệ: tổn hao dẫn 10–100 W so với tổn hao tiếp giáp IGBT 1–5 kW. Bán dẫn cần một tấm lạnh đã thiết kế; thanh cái chỉ cần không bị đóng hộp. Trong một ví dụ tính cỡ làm mát tự nhiên với giới hạn tăng 30 °C và h = 20 W/m²·K trên cả hai mặt, khoảng 6 W/dm² có thể được tản tự nhiên; một thanh cái 25 × 40 cm dễ dàng thải 60 W cách này.

Hai lưu ý thực tế. Hướng lắp có ý nghĩa: trong làm mát hai phía đo được ở 8.5 W/dm², lắp ngang cho mức tăng 42 °C trong khi lắp đứng cho 37 °C; hướng đứng nâng tổng truyền nhiệt khoảng 20%, và mặt đáy ngang là bề mặt kém hiệu quả nhất. Làm mát quạt cưỡng bức nâng h lên 50–100 W/m²·K, tăng thải nhiệt một hệ số 5–10 và cho phép dòng cao hơn khoảng 2–3× so với làm mát tự nhiên. Hệ quả cần tránh: nếu một biến tần lực cao bị ép làm mát không khí thay vì nước, toàn bộ định mức của nó rơi về khoảng 40%, và thanh cái phải được giảm định mức lại cùng nó.

Nếu bạn đang tính cỡ bằng tay chứ không phải mô phỏng, thứ tự an toàn là: bắt đầu từ bảng dòng định mức ở làm mát tự nhiên, trừ giảm định mức vỏ, rồi hỏi liệu lưu lượng không khí của chính biến tần có thêm biên độ. Một thanh cái bên trong một tủ kín không lưu lượng không khí cần con số bảo thủ; cùng một phần bên trong một chồng làm mát quạt thường có headroom mà con số bảo thủ che. Các thiết kế thanh cái làm mát nước tồn tại nhưng hiếm; chúng xuất hiện khi thanh cái được cố ý dùng như một tấm phân phối làm mát trong các biến tần mật độ rất cao. Với các phần còn lại, thông điệp là đơn giản: thiết kế cho làm mát tự nhiên, tôn trọng hướng, và để quạt biến tần giúp.

Bức xạ theo định luật Stefan–Boltzmann: Q̇ = ε × σ × A × (T_mặt⁴ − T_xung_quanh⁴), với σ = 5.67 × 10⁻⁸ W/m²·K⁴. Biến số thú vị là độ phát xạ ε:

Các hệ quả thực tế đáng để nội tại hóa. Kim loại trần gần như không bức xạ, ε ≈ 0.04, trong khi các bề mặt sơn đạt khoảng 0.9–0.95 bất kể màu. Trên một phần làm mát tự nhiên, bức xạ góp khoảng 40% tổng thải nhiệt và đối lưu khoảng 60%, nên ép lớp hoặc sơn mặt ngoài đen thực sự hạ nhiệt độ vật dẫn. Ví dụ đo trên cùng thanh cái: một bề mặt ngoài sơn đen cho mức tăng 44 °C; đồng trần với chỉ các mảng băng keo nhỏ cho 70 °C, chênh lệch 26 °C, nhiệt độ thấp hơn khoảng 40%. Nó phản trực giác, vì bạn kỳ vọng cách điện thêm làm nóng phần lên.

Tại sao cách điện sơn hạ nhiệt độ? Độ phát xạ của màng hoặc sơn, quanh 0.9, thay thế của đồng trần, quanh 0.03, nên phần bức xạ nhiều năng lượng sóng dài hơn. Một khi làm mát quạt cưỡng bức thống trị, bức xạ trở nên không đáng kể, đó là lý do các tản nhiệt không khí cưỡng bức thường để nguyên là nhôm không phủ trong khi các tản nhiệt làm mát tự nhiên được sơn đen. Một hệ quả nữa cho sàn sản xuất: một mép đồng trần để lộ bởi một mặt nạ quá khổ không chỉ là một lo ngại cách ly, nó là một điểm nóng bị bao quanh bởi một phần không thể bức xạ. Giữ mặt ngoài được phủ, và toàn chồng lớp chạy mát hơn.

Mẹo đo một: một camera IR không thể đọc đúng các vật dẫn trần, vì chúng gần như không phát bức xạ sóng dài và bề mặt phản chiếu tầm nhìn của camera. Sơn đen điểm đó trước khi bạn đo. Trên bài đầu mức tăng nhiệt này được đo và lập hồ sơ dưới quy trình thử thanh cái nội bộ của chúng tôi, nên định mức phát hành khớp lượt đo.

Điện môi là thứ đặt nhiệt độ liên tục tối đa của cụm. RTI, Chỉ số Nhiệt Tương đối, được định nghĩa theo UL 746 là nhiệt độ tại đó một thuộc tính khóa, độ giãn dài cơ khí hoặc độ bền đánh thủng điện, giữ một nửa giá trị ban đầu của nó trong ít nhất 20 000 giờ. Cách điện polyester tiêu chuẩn định mức 105 °C cho thấy đời khoảng 60 000 giờ ở 105 °C trong thử đánh thủng điện.

Đọc các con số vận hành: một màng 105 °C tại một điểm nóng 80 °C có khoảng 25 năm phía trước nó trong nhiệm vụ kéo; một màng 130 °C ở 100 °C có khoảng 40. Đòn bẩy thương mại chạy chiều ngược lại nữa: thay vì thu nhỏ vật dẫn để đạt một mục tiêu nhiệt, bước lên một điện môi định mức 130 °C cho bạn đẩy nhiều dòng hơn qua một tiết diện đồng không đổi, nâng cấp định mức lực của một thiết kế hiện có mà không tái thiết kế chồng lớp.

Đó là cách các nền tảng kéo và biến tần tái tạo thường mua biên độ thêm. Trong các biến tần kéo, nơi các dao động nhiệt rộng và ẩm gặp các mục tiêu dịch vụ dài, cấp 130 °C với định mức ẩm mở rộng là lựa chọn đã thành lập; xem trang thanh cái kéo đường sắt của chúng tôi. Trong các biến tần tái tạo chạy về cơ bản liên tục, nó mua biên độ khi không gian làm mát chặt; xem biến tần mặt trời và gió.

Khi nào không nên bước lên: nếu điểm nóng của bạn đã nằm dưới định mức màng, một điện môi 130 °C mua cho bạn không gì ngoài chi phí và chiều dày. Trường hợp nâng cấp cụ thể là khi tiết diện vật dẫn bị ràng buộc, bởi trọng lượng, không gian hoặc dụng cụ, và định mức điện môi là cách rẻ nhất để phục hồi định mức mất. Mẫu xuyên hướng dẫn này lặp lại: điện trở giới hạn nằm tại bề mặt, không phải bên trong phần. Nếu bạn nhớ một con số, nhớ 40% cổ phần bức xạ trên một phần làm mát tự nhiên. Gửi chúng tôi cả hai kịch bản qua dịch vụ thiết kế thanh cái ép lớp tùy chỉnh và chúng tôi sẽ cho thấy đánh đổi chứ không giả định. Lựa chọn vật liệu được phủ sâu trong hướng dẫn lựa chọn điện môi của chúng tôi, và danh sách kiểm tra phát hành tổng nằm trong hướng dẫn thiết kế thanh cái ép lớp. Gửi chúng tôi hồ sơ nhiệm vụ, môi trường, chu kỳ nhiệm vụ và đời dịch vụ cần thiết của bạn, qua liên hệ kỹ thuật của chúng tôi, và chúng tôi sẽ tính cỡ cấp nhiệt với bạn.

Trên vài trăm ampe trong một vỏ giam kín, thanh cái không bao giờ là hạng mục duy nhất trong bill of materials nhiệt. Mức tăng nhiệt của vật dẫn bị giới hạn một phần bởi làm mát mà môi trường xung quanh cung cấp, nên thanh, các mô-đun lực và phần cứng tản nhiệt được đồng thiết kế chứ không tính cỡ tách rời. Dữ liệu tham chi nói thẳng điều này: một giao diện kẹp dòng cao định mức tối đa 400 A rơi xuống khoảng 240 A ở mức tăng 30 °C, và các họ tiếp điểm blind-mate chạy 175–265 A ở cùng tham chiếu 30 °C — giảm định mức được đặt bởi nhiệt độ tiếp giáp, không chỉ bởi diện tích đồng.

Các tùy chọn phần cứng làm mát ghép với các cụm dòng cao tạo một thang quen thuộc:

• Tản nhiệt nhôm đùn — các đùn một khối cho một bề mặt làm mát lớn với chi phí thấp, với một thư viện rộng hồ sơ tiêu chuẩn gồm các hình tỷ lệ cao và kiểu SCR.
• Tản nhiệt vây ghép — cho nhiệm vụ đối lưu cưỡng bức lực cao nơi tỷ lệ vây của một đùn đơn không còn đủ; các vây ghép vào một chồng gốc nhồi thêm bề mặt vào cùng footprint.
• Tấm và khối lạnh làm mát chất lỏng — con đường thực tế khi mật độ lực leo qua những gì không khí cưỡng bức có thể mang, và là phương pháp lắp đặt tiêu chuẩn cho các cụm SCR và thyristor tổn hao cao.
• Kẹp SCR — ép chồng thiết bị vào tấm lạnh của nó với lực đã biết, thường từ khoảng 700 đến 20.000 lbf, thiết kế tùy chỉnh theo bố cục mô-đun.

Quy tắc ngón tay cái chúng tôi áp dụng trong dịch vụ phiên duyệt DFM thanh cái là đơn giản: một khi các định mức liên tục vượt khoảng 200 A bên trong một thể tích kín, đối xử với thanh cái và làm mát của nó như một bài toán thiết kế duy nhất. Bản thân ép lớp đã giúp — một chồng phẳng trình bày một bề mặt bức xạ và đối lưu lớn, và một bề mặt ngoài ép màng đạt một độ phát xạ gần 0,9 so với khoảng 0,03 cho đồng đánh bóng trần. Nhưng đối lưu tự nhiên hiếm khi giải quyết câu hỏi ở các mật độ cao nhất, và không khí cưỡng bức — rồi làm mát chất lỏng — trở thành biên độ cho phép cùng đồng đó mang nhiều dòng hơn.

Cách đánh đổi đó được tính thế nào, với giảm định mức cho môi trường, bó gói và vỏ, được đi qua trong bảng dòng định mức thanh cái, và phía tổn hao của phương trình — tự cảm vòng dây và tổn hao đóng cắt mà tấm lạnh cũng phải hấp thụ — được phủ trong thiết kế thanh cái tự cảm thấp. Cùng mẫu đồng thiết kế là thường quy trong các thanh cái biến tần và UPS, nơi thanh link DC, tầng lực và tấm lạnh được phát hành như một gói. Mỗi bản phát hành dòng cao được công nhận mức tăng nhiệt dưới quy trình thử thanh cái nội bộ của chúng tôi trước khi xuất xưởng.