השפעת הטמפרטורות על החלפת כוח אספקה Reliability
יסודות של החלפת כוח ספוג ורגישות
החלפת חשמל היא כלוביקוויטרית באלקטרוניקה המודרנית, המספקת כוח DC מבוקר ממקור AC או DC עם יעילות גבוהה.בניגוד הרגולטורים ליניאריים, מעבר אספקה להשתמש רכיב מעבר גבוה (בדרך כלל a MOSFET) וגורם מגנטי לדרג מתח או להמרה.תהליך זה יוצר חום כמוצר, יצירת מחזור עצמי של שיפור עצמי שבו עלייה בטמפרטורות, אשר מייצר יותר חום או ירידה.
הלחץ הירומל הוא אחד הגורמים המובילים של כשל מוקדם במעבר של אספקת חשמל.שדה נתונים מיישומים תעשייתיים מראה כי עלייה של 10 מעלות צלזיוס בטמפרטורות תפעול יכול ללטף את החיים הצפויים של רכיבים מסוימים, במיוחד capacitors אלקטרוליטיים.רגישות זו מתעוררת כי החומרים הפנימיים וצומתים מזדקנים מהר יותר בטמפרטורות גבוהות, ומכיוון ששינויים מהירים בטמפרטורה גורמת למתח מכני.
כיצד משתנים טמפרטורה משפיעים על אמינות
וריאציות טמפרטורה משפיעות על החלפת אספקת החשמל באמצעות מספר מנגנונים נפרדים.כל מנגנון מכוון רכיבים ספציפיים ויכול להוביל להשפלה הדרגתית וכישלון קטסטרופלי פתאומי.
השפעה על Capacitors אלקטרוליטי
קפצויים אלקטרוליטיים הם בין הרכיבים הרגישים ביותר בטמפרטורה באספקת כוח מעבר.האלקטרוליט שלהם לאט לאט מתאדה לאורך זמן, תהליך מואץ באופן אקספוננציאלי על ידי חום. at 85 ° C, קיבול טיפוסי עשוי להיות בעל חיים מדורג של 2,000 שעות; ב- 65 מעלות צלזיוס, כי אותו capacitor עשוי להימשך 10,000 שעות או יותר.
פעולה דלת-טמפרטורה מדגישה גם את capacitors. בטמפרטורות קרות מאוד, עלייה אלקטרוליטית, גידול ESR וצמצום ה- capacitance.אם האספקה חייבת להתחיל ב- -40 מעלות צלזיוס, זרם המברשת יכול להזיק ל- capacitor לפני שיש לו הזדמנות לחמם.
השפעה על Power Semiconductors
(ב) ,התקוע (ב) ב"התחילה" (ב) ב"התב" (ב) ב"התב" (ב) ב"ה) ב"התתתתת-ההההההתמדה" (ב) של ה"התרד" (ה) ב"ה') ב[[ה', ב[[1924]], ב[[1924]], [[1924]],]], [[1924]],]], [[1924]],]], [[1924]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924
רכיבה על אופניים - סיורים חוזרים חוזרים בין מדינות קרות וחם - גורמת להתרחבות שונה בין סיליקון למות לבין החבילה מובילה. מעל אלפי מחזורים, זה יכול לייצר סדקים במפרקים מוכרים או דלמנטום של חומר נספח מת, המוביל לפעולה לסירוגין או מעגל פתוח.כלי כוח רכב, אשר ניסיון התנדונות רחבות מחום מנוע לחורף, הם פגיעים במיוחד.
השפעה על חומרים מגנטיים
Transformers ו inducators מסתמכים על ליבות מפרטקסים שהנכסים המגנטיים שלהם משתנים עם טמפרטורה.בטמפרטורות גבוהות, הפסדים ליבה (hysteresis ו-eddy הנוכחי) עלייה, ואת צפיפות השטף של השטף יורד. A הופך שבדרך כלל ב 25 מעלות C עלול להתעכב במתח גבוה וטמפרטורה גבוהה, גורם לספיקים נוכחיים גדולים כי הלחץ Transuristoristor ופוטנציאל להרוס אותו גם את ההתפרצות של ה-thermallyphings.
אמינות: טמפרטורה ומודלים לכל החיים
מהנדסים משתמשים במספר מודלים אמפיריים כדי לחזות את השפעת הטמפרטורה על חיי אספקת החשמל.הנפוץ ביותר הוא מודל ה-FLT:0Arrhenius ModelFLT:1, אשר מבטא שיעור כשל כפונקציה אקספוננציאלית של הטמפרטורה:
⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
כאשר λ הוא שיעור הכשל, A הוא גורם טרום-חשיבות, (FLT:0EcioFLT:103FLT:2aph 3) הוא אנרגיה הפעלה (בדרך כלל 0.7–1.0 eV עבור capacitors אלקטרוליטי), k הוא קבוע של בולצמן, ו-T הוא טמפרטורה מוחלטת.
עבור עייפות מכנית בשל רכיבה תרמית, המשוואה FLT:0Coffin-Manson משוואה 1FreaLT מתייחס מספר המחזורים כדי לא לעמוד בטמפרטורה המחזורית:
(ב) ויקרא י"ד:2 ויקרא יט): "וַיְהִיא רָאוּ רָאוּ הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא" (בראשית כ"ד)
שם (FLT:0)NigFLT:1 ;2sear:2sph 3: הוא מספר המחזורים לכישלון, ⁇ T הוא תנודת הטמפרטורה, ו m הוא בדרך כלל בין 1.5 ל 3 למפרקים שנמכרים.
(ב) ויקרא י"א: "ה' א': "ה' א': "ה'" (ב)"ב"ה', "ה', כ"ד)" (ב"ב)" (ב"ב)
אסטרטגיות עיצוב לשיפור הכדאיות
שיפור האמינות תחת לחץ טמפרטורה דורש גישה רב פנים לאורך מבחר רכיב, טופולוגיה מעגלית, ניהול תרמי ועיצוב מכני.
טכניקות ניהול נמרץ
הדרך הישירה ביותר להפחית את השפעות הטמפרטורה היא להסיר חום ביעילות.שיטות נפוצות כוללות:
- (FLT:0) התחממות פסיבית (FLT:1) - אלומיניום פין או תנור נחושת המצורפת לרכיבי חשמל להגדיל את שטח פני השטח עבור קירור convection.
- (FLT:0)Forced airringFLT:1 - אוהדים או מכים לשפר באופן דרמטי את העברת חום מאומצת.
- (FLT:0) ליקוויד קירורFLT:1 - בשימוש באספקת תעשייתית וטלקום כוח גבוהה. צלחות קרות עם קירור במחזור יכול להסיר חום ממרכיבים מרובים, המאפשר צפיפות כוח גבוהה יותר.
- (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
- (ב) [ה]:0] צינורות הית' והתאים הנדפסים של ה-Vapor CellsveFLT:1] – שני מכשירים חד-פפזים אשר מפעילים חום עם התנגדות תרמית נמוכה מאוד, שימושיים לריכוז חום על תנור מרוחק.
בחירה ודרטינג
בחירת רכיבים עם דירוגי טמפרטורה רחב הוא חיוני. עבור קיבולים אלקטרוליטיים, להשתמש 105 מעלות צלזיוס או 125 מעלות צלזיוס דירוג חלקים גם אם המאמין נמוך יותר; השולי הנוסף מרחיב את החיים באופן דרמטי.בחר MOSFET עם נמוך (FLT:0RreaFLT:1FLT:2DS(on)FLT 3 בטמפרטורה גבוהה, ולהבטיח את הטמפרטורה העולה על פני 80 אחוזים של ירידה נמוכה ביותר לא צריך להיות נמוך יותר של טמפרטורה גבוהה.
הנחיות ניתוק מתקני התעשייה (למשל, IPC-9592, JEDEC JESD74) ממליץ ליישם גורם בטיחות של 0.5 עד 0.8 על מתח, נוכחי, ודירוגי חשמל, עם מכפיל דרמטי מותאם לטמפרטורה מכוננת. לדוגמה, קפיטור מדורג 100 V לא צריך להיחשף ליותר מ 80 ב 85 מעלות צלזיוס.
(ב) ,0) , נספח: "המדריך המעשי הוא זמין מ-FLT:2Military Aerospace Electronics: Component Derating for Power SuppliesvesFLT 3:2"
המונחים: place
פריסת לוח מעגלים מודפסת משפיעה באופן משמעותי על ביצועים תרמיים. Place גבוה מרכיבים חמים ליד קצה הלוח או מעל שפך נחושת גדול. השתמש דרך תרמי להעביר חום למטוס קרקע פנימי.הימנעות ממתחים חמים; במקום זאת, להפיץ אותם כדי להפחית את עליית הטמפרטורה המקומית.עבור באמצעות רכיבי חור, להבטיח היווצרות של מלקט מתאים למזער במהלך התרחבות תרמית.
בעיצובים גבוהים של אחריות, לשקול שימוש כריות תרמיות עשויים מחומרים מבוססי אלומיניום כי כפול כמו מפיץ חום.בנוסף, עיצוב המתחם כדי לאפשר נתיבי אוויר של זיהום טבעי - vents תחתית לצריכת אוויר קריר ואוורורים העליון עבור exhaust.
שיטות בדיקה ואימות
אין כמות של סימולציה שיכולה להחליף בדיקות תרמיות בעולם האמיתי.בדיקות הסמכה חשובות כוללות:
- (FLT:0) Thermal רכיבה על אופנייםFLT:1 - אלטרנטי בין טמפרטורות גבוהות ונמוכות (למשל, -40 מעלות צלזיוס ל +85 ° C) עבור 500-1000 מחזורים כדי להעריך עייפות משותפת מכרה ויושרה encapsulation.
- (FLT:0) חיים תפעוליים בטמפרטורה גבוהה (HTOLrea)FLT:1 - הפעלת האספקה בטמפרטורה מקסימלית מדורגת (למשל, 70 מעלות צלזיוס למסחר, 105 ° C לתעשייה) תחת עומס מלא במשך אלפי שעות תוך מעקב אחר פרמטרים של פלט.
- (FLT:0) הדמיה של ה-Ermalische FLT:1 – שימוש במצלמות אינפרא אדום כדי לזהות כתמים חמים ולאמת כי כל הרכיבים נשארים בגבולות הטמפרטורה המפורטים שלהם.
- (FLT:0) תוצאות בדיקות חיים (ALT)BuildFLT:1) - החלת טמפרטורה גבוהה ומתחים כדי לכפות כשלים, ולאחר מכן באמצעות מודלים של Arrhenius כדי להרחיב את החיים הצפויים בתנאים רגילים.
(ב) [13] ,0) קישור חיצוני: 1FLT ( 1) לסקירה מפורטת של תקני אספקת החשמל, מתייחס ל-FLT:2IEEE 1624-2008: תקן עבור DC ו- AC Power Supply Supply ReliabilityFLT 3.
מסקנה
וריאציות טמפרטורה נשאר אחד האיומים הגדולים ביותר להחליף אמינות אספקת חשמל.מהזדקנות קיבולית מואצת לרוץ תרמי בחצי המוליכים למחצה ועייפות במפרקים מוכרים, ההשפעות הן מתפשטות ולעתים קרובות קשורות. על ידי הבנת המנגנונים הפיזיים הבסיסיים - והפעלה של שיטות תכנון חזקות כגון קירור, רכיב ובדיקה יסודית - מהנדסים יכולים לבנות ציוד כוח עקבי לאורך שנים של פעילות קשה.
במבט קדימה, אימוץ של מוליכים למחצה רחבים (carbide ו-Geium nitride) מבטיח טמפרטורות תפעול גבוהות יותר והפסדים נמוכים יותר, אשר יפחיתו רבים מהאתגרים התרמיים המתוארים כאן. בשילוב עם שליטה דיגיטלית מתקדמת שיכולה להתאים את מעבר תדירות מחזור חובה בזמן אמת כדי לנהל טמפרטורה, אספקה כוח הדור הבא יהיה יותר גמיש מאשר אי פעם, עקרונות היסוד של ניהול תרמי יישארו מרכזי לחיזוי כוח בעתיד.