AC ל- DC ממירים יוצרים את ממשק הכוח הקריטי של רוב המערכות האלקטרוניות המודרניות, המשתרע על ידי צרכנים, כונן תעשייתי, מכשירים רפואיים, ומתקנים אחסון אנרגיה ברשת.תהליך ההמרה כרוך באופן מהותי בפירוק חשמל, אשר מתבטא חום בתוך צומת המוליכים למחצה, ליבות מגנטיות, ועקבות הפעלה ממושכות ביותר של תפקודים משתנים, כגון מנגנוני בקרה מתקדמים של מערכת ההפעלה, השפעה יעילה יותר, כמו מנגנוני בקרה סטנדרטית של זמן, ואפקטים מתקדמים, כמו מנגנונים מתקדמים, ואפקטים של מערכת הפעלה (Desectervectsectsects) של תפקודים מתקדמים, ואפקטים מתקדמים של מערכתית של מערכתית (Desectsectsive-Centralsectsivesivesive-C, ואפקטים של תפקודים של תפקודים של תפקודים של מערכות בקרה, ואפקטים של מערכתית של תפקוד תקין של מערכות הפעלה (Ricial של מערכות הפעלה (Ricing) בין מערכות הפעלה (Desive טמפרטורה יעילה, בין מערכות בקרה פיזית של מערכות הפעלה של מערכתית של מערכתית של מערכות הפעלה (Ride) בין מנגנונים מתקדמים, ואפקטים של מערכות זמן, ואפקטים של מערכות הפעלה של מערכתית (Desive טמפרטורה

Thermodynamic Foundations of Power Conversions

כדי לנהל טמפרטורה, יש להבין תחילה את מקורותיה.היט בממיר AC-DC שנוצר על ידי כמה מנגנוני אובדן נפרדים, כל אחד עם רגישות משלו לטמפרטורה.

  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) [ה]החלת [ה]: [ה] [ה] [ה]] [ה]] [הה]] [ה]]] [ה]]הההההההתעל] [הההתעל] [ה] [ה] [ה] [הההההההההההההה]]] [ההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההההתחילה]]]]] [הההההההההההההההההההההה]]] [ה] [ההההההההה]] [ההה]] [ה] [ה]]]] [ההההההההההההההההההה]]] [הההההההההההההה
  • (FLT:0 Magnetic Core ו- Winding Losses:BuildFLT:1) Transformers ו inducators להציג את ההיסטריה ואת ההפסדים הנוכחיים של הליבות המגנטיות שלהם, אשר עוצב על ידי משוואה Steinmetz.הפסדים Core עם תדירות ושפעת, אבל יכול גם להיות מושפע לרעה על ידי טמפרטורה, במיוחד ליד נקודת הקלי של אובדן קופר (F2Centing) עם עלייה חיובית בטמפרטורה (R2Cupiti) עם עלייה של 0.

סכום ההפסדים הללו מגדיר את יעילותו של הממיר.מהפך של 1 קילוואט יעיל של 95% חייב להתפזר 50 W של חום.אם הנתיב התרמי לסביבה הממוקדת אינו מספיק, הטמפרטורה הפנימית עולה, עוד יותר החמרה הפסדים ומנגנוני אי ספיקת מאיץ.

צומת Semiconductor Junction Dynamics and Leakage Current

מכשירים Semiconductor הם לב תהליך ההמרה AC-DC, ומאפיינים חשמליים שלהם קשורים באופן מהותי לטמפרטורה.הפרמטר הרגיש ביותר הוא זרם החיסרון:0reverse saturation הנוכחי (Is)FLT:1 של צומת PN. זה כפול עבור כל 10 מעלות צלזיוס עלייה בטמפרטורה.

אזור ההפעלה (SOA)FeloLT:1 של transistor מתכווץ באופן דרמטי כמו טמפרטורת הצומת עולה. עקומות גליון SOA הם בדרך כלל שצוין ב 25 מעלות צלזיוס, ודרציה נדרשת לטמפרטורות גבוהות יותר במקרה.

(FLT:0) ,ElectromiationFLT:1 הוא מנגנון כשלון נוסף תלוי טמפרטורה. at high Current densities and risingטמפרטורות גבוהות, אטומי מתכת בעקבות הגומלין של Semiconductor בשל העברה מביצוע אלקטרונים.זה מוביל להיווצרות של חללים ובסופו של דבר מעגלים פתוחים.

Capacitor אלקטרוליטי Aging ו Arrhenius Equation

קיבולים אלקטרוליטיים הם לעתים קרובות המרכיב המגביל את החיים באספקת חשמל.המנגנון שלהם הוא כימי ביסודו והוא נשלט על ידי חוקי התרמודינמיקה, במיוחד את המשוואה FLT:0Ahenius משוואה (FLT:1 אלקטרוליט בתוך הציפוי בהדרגה מתפוגג בהדרגה לאורך זמן, תהליך שהוא מואץ באופן אקספוננציאלי על ידי טמפרטורה.

זה עולה ל"כלל 10 מעלות" הידוע: עבור כל 10 מעלות צלזיוס עלייה בטמפרטורה הליבה, החיים הצפויים של קיבול אלקטרוליטי הוא מוזנח.לדוגמה, קיבולר מדורג 10,000 שעות ב 105 מעלות צלזיוס רק יחזיקו ב-5,000 שעות ב 115 מעלות צלזיוס ו-2,500 שעות בלבד ב-125 מעלות צלזיוס.

ככל שהגילים של קיבוליטור ו- ESR עולים,0.0.0.החום הפנימי שנוצר על ידי ripple Current growthFLT:1, יצירת לולאת משוב חיובית המאיץ את תהליך ההייבוש.עיצוב עבור זרם הבשלה נמוך, בחירת קפקאים עם דירוגים גבוהים וספק קירור הולם הן אסטרטגיות חיוניות למקסימום את תוחלת החיים של פולימרים גבוהה יותר, ויציבות גבוהה יותר מאשר גמישות גבוהה יותר מאשר ליציבות גבוהה יותר.

בקרת קיבולת ודיוקן Drift

לולאה בקרת משוב המסדירה את מתח הפלט של ממיר AC-DC מסתמכת על מרכיבים אנלוגיים מדויקים, שכל אלה רגישים לטמפרטורה סחף.TheFLT:0voltage ReferenceFLT:1, לעתים קרובות מעגל של להקות, יש פלט טמפרטורה טעונה באופן טבעי.

מגברי תפעול המשמשים בשגיאה amplifier ו-Resource Network show (FLT:0input offset Stressסחף FLT:1 ו-FLT:2bias הנוכחי סחף FLT:3; שינויים אלה משנים את נקודת המפלס של הרגולטור ואת מאפייני התגובה הטרנסנדנטלית של ה-C85, יתר על כן, ה-ESR והקפיראטציה של הפלט של הפילטרים משתנים עם טמפרטורה, אשר ישירות על ידי ה-CDC, עלולים לפעול על פני הפחתת המיקום של ה- 0 ° C2, או ה- 0, או ה-CDC, כולל ה- 0, עלולים של ה-CDC, כולל מטענים בצורה משמעותית, כלומר, כולל מטענים המובילים של ה- 0.

מערכת-Level Reliability: Derating and MTBF Modeling

תקנים חיזוי אמינות, כגון FLT:0 [MIL-HDBK-217FreaLT] ו-FLT:2Telcordia SR-3323, מציב דגש כבד על הטמפרטורה.שיעור הכשל (λ) של רכיבים הוא מודל באמצעות גורם האצה אררנזיוס.

עקרון זה מניע את הנוהג של יישומים צבאיים או גבוהים כוללים: מעבורת מהנדסים פועלים במכוון רכיבים מתחת למתח המקסימלי שלהם בדירוג כדי לשפר את האמינות. Common derating Guidelines for Military or high-reliability Applications: MOSFETs המופעלים בפחות מ-80% מהלחץ המקסימלי שלהם:2VdsFLT 3 ופחות מ-70% מהמדדים המקסימליים שלהם: 4IFLT5 מופעלים בטמפרטורה גבוהה.

זמן בין כשלים (MTBF)(1) לאספקת חשמל מחושב על ידי סיכום שיעורי הכשל של כל המרכיבים, כל אחד מותאם לטמפרטורה התפעולית שלו.אספקת חשמל הפועלת בטמפרטורה של 40 מעלות צלזיוס לעתים קרובות יהיה MTBF כי הוא 5-10 פעמים גבוה יותר מאשר אותה יחידה שפועלת ב 70 מעלות צלזיוס.

Thermal Runaway Phenomenon

המפלט הארומאלי הוא מצב כשל קטסטרופלי המתרחש כאשר עלייה בטמפרטורה גורמת לעלייה נוספת בפיזור כוח, המוביל למעגל של שימור עצמי המשמיד את המכשיר.זה נפוץ ביותר ב transistors צומת דו קוטבי (BJTs) וסוגים מסוימים של תצורה דיאודית.

ב- BJT, למתח הבסיס (FLT:0)VbeFeloph:1) יש חסכוני טמפרטורה שלילית (כ-2 mV / ° C) כמו הצומת חום למעלה, ⁇ :2VbeFLT 3:2VbeFLT 3: ירידה, המאפשרת אספן נוסף כדי לזרום.

באספקת כוח גבוהה, מפלט תרמי יכול להתרחש גם ב diodes Schotky בשל זרם הדלפה הגבוהה שלהם, אשר עולה באופן אקספוננציאלי עם טמפרטורה.הגנה מפני ריצה תרמית דורש עיצוב זהיר, כולל חימום הולם שוקעת, השימוש בטמפרטורות שליליות coefficient (NTC) חיישנים עבור התמוטטות תרמית, ואת מעגלים מגבילים הנוכחיים כי להפחית את הניתוק כוח תחת תנאים אשם.

מקרה מחקר: רכב חשמלי על טעינות

סביבת הרכב מציגה את אחד האתגרים התרמיים התובעניים ביותר עבור ממירי AC-DC. Onboard (OBCs) ו- DC-DC חייב לפעול באופן אמין מתחת למכסה, שם טמפרטורות מתחרות יכולות להגיע ל-105 מעלות צלזיוס או גבוה יותר, תוך טיפול בהצטננות מתחיל ב- 40 מעלות צלזיוס.

אלה ממירים כפופים לסטנדרטים של כישורים מחמירים, כגון:0 (AEC-Q100sFLT:1 עבור מעגלים משולבים ו-FLT:2AEC-Q200uaFLT 3 עבור רכיבים פסיביים.לחץ האופניים התרמי שנגרם על ידי טעינה חוזרת מחזורי קירור מקומות מתח עצום על המפרקים ואיגרות חוט.

כדי לשרוד תנאים אלה, ממירי רכב עברו ל-FLT:0 להקות להקות למחצה של להקות מוליכים למחצה מוליכים למחצה מוליכים למחצה , במיוחד סיליקון Carbide (SiC) MOSFETs ו diodes. SiC מכשירים מציעים כמה יתרונות מרכזיים: הם יכולים לפעול בטמפרטורות צומת עד 200 מעלות צלזיוס, יש להם הרבה יותר הפסדים מעבר נמוך מאשר IGBT, ו-FLT2:

מחקר מקרה: כוח מרכז נתונים ספוג ו 80 PLUS יעילות

במרכזי נתונים, צריכת החשמל היא עלות תפעולית דומיננטית:0.80 PLUSFIRLT:1 התוכנית הסמכה מרחיבה יעילות גבוהה יותר באספקת כוח AC-DC. אספקת הכוח של טיטניום חייבת להשיג לפחות 90% יעילות של 10% עומס ו- 96% יעילות ב- 50%.

היתרון הישיר של יעילות גבוהה יותר הוא כי פחות אנרגיה מבוזבזת כמו חום. אספקת טיטניום 2 קילוואט מתפזר רק 80 W בעומס מלא, בעוד אספקת זהב מתפזרת 160 W. ההפחתה זו בחום באופן קיצוני מפשט את ניהול תרמי.זה מוריד את זרימת האוויר הנדרשת, מקטין את רעש המעריצים, ומאפשר את אספקת הכוח לפעול בטמפרטורות פנימיות קרירות יותר, אשר מגדילה באופן דרמטי את MTBFBF.

אספקת כוח מרכז נתונים גם מעסיקה ארכיטקטורות תרמיות מתקדמות, כולל מעריצים מבוקרים דיגיטלית עם פרופילים מהירות משתנה המבוססים על חיישני טמפרטורה אינלט, והשימוש ב-FLT:0 Interleaved Power Factor תיקוןion (PFC)FLT:1 שלבים להפיץ חום על פני מכשירים מקבילים מרובים כדי למזער היווצרות נקודה חמה.

אדריכלות ניהולית מתקדמת

ממירי AC-DC מודרניים משתמשים בגישה רב-שכבתית לניהול תרמי, המשלבת מדע חומרי, עיצוב מכני ושליטה חכמה.

Bandgap Semiconductors (SiC & GaN)

אימוץ של ההרחבה:0 , 000 מוליכים למחצה של ההרחבה 1 (FLT:0 ), הופך את תעשיית אספקת החשמל.סיליקון Carbide (SiC) MOSFETs וגליום Nitride (GaN) FET מציעים באופן משמעותי נמוך יותר על-resistance וניתן לפעול בטמפרטורות גבוהות בהרבה מאשר התקנים סיליקון מסורתיים, במיוחד, יש כמעט אפס הפוך (Fre) כדי להפחית את גודל הפחתת לחץ הדם הגדול של הגשר (Feriferiferifer) ולהפחית את דרישות קירור (Fercre) ולהפחית את גודל הפחתת כמות גדולה יותר מאשר התקנים מגנטי).

חומרים ממשקיים חמים (TIMs) ו- Heat Spreading

העברת חום מן המוליכים למחצה למות לסביבה הממוקדת היא קריטית.עיצובים מודרניים משתמשים בטנים מתקדמים, כגון שינוי חומרים ועמודי פער מאוד התנהגותיים, למלא פערים אוויר מיקרוסקופיים בין הרכיב לבין תנור חום. Copper חום מבוזר ומטבעות נחושת משובצים ב- PCB משמשים כדי למנוע חום ממרכיבים חמים לתוך מטוסים פנימיים או לוח על הקצוות של.

בקרה ובקרה Active Thermal Monitoring and control

ניהול תרמי אינטליגנטי מסתמך על רגישויות. NTC המתרמיסטים או על דיאודות טמפרטורה על-ידי דידות טמפרטורה קריטית.מיקרובקר מתקן את מהירות המעריצים בהתבסס על נתוני טמפרטורה בזמן אמת, מצמצם רעש אקוסטי תוך הבטחת קירור הולם.

תקני תעשייה עבור הסמכה תרמית

(ה) הבטחת החוסן התרמית של ממיר דורשת בדיקה קפדנית כנגד תקני התעשייה שהוקמו.

סדרת הסטנדרטים מכסה בדיקות סביבתיות, כולל חום יבש, קר ולח מבחנים מחזוריים.FLT:2UL 62368-1FLT 3, מחייב טמפרטורה לטמפרטורות למשטחים נגישים ורכיבים פנימיים כדי להבטיח בטיחות.

מסקנה

וריאציות טמפרטורה הן הזרז הדומיננטי להידרדרות ביצועים וכישלון בממירים AC-DC. מן האצה האקספוננציאלית של קיבולי אלקטרוליטי ההזדקנות קיבוליטור לצמצום אזור התפעול הבטוח למחצה והסיכון של ריצות תרמיות, ההשפעות של חום permeate כל היבט של עיצוב ה-AClytic Capacitor. קיבולת הכוח החזק ביותר הם אלה אשר מאמצים גישה מבוססת פיזיקה, ברמה גבוהה לניהול תרמי על ידי בחירה.