הקדמה: מדוע Defines Thyristor Reliability

Thyristors נשאר חיוני במערכות אלקטרוניות בעלות כוח גבוה - כונן מוטורי, שידור HVDC, חימום אינדוקציה, וממריצים תעשייתיים. מתגים סמי-מוליכים למחצה אלה מטפלים במתחים ובזרמים הרבה מעבר למה שטרנסיסטורים סטנדרטיים יכולים לנהל, אבל הביצועים שלהם ותוחלת החיים תלויים בגורם קריטי אחד: כיצד חום יעיל הוסר מהצומת.בפעולה רציפה, אפילו ערפל תרמי יכול להאיץ, לגרום, חום או לרוץ לצמיתות, או לתקן את ההתנהגות שלך הוא לא יעיל.

מאמר זה מספק בדיקה מעמיקה של ניהול תרמי של Thyristor במהלך פעולה רציפה.We מכסה את הפיזיקה של דור חום, מעגל שווה ערך תרמי, כל טכניקת קירור לעומק, עיצוב שיטות טובות ביותר, ומגמות מתפתחות המעצבות פתרונות תרמיים מודרניים.

דור חום ב Thyristors: מאיפה זה בא?

הכמרים מתפזרים את הכוח כחום בעיקר באמצעות שני מנגנונים:

  • (ב) [ה]:0 [ההפסדים] של ה-[[1924]], כאשר המכשיר נמצא במצב ה-[[1924]], הזרם הנוכחי עובר דרך סיליקון מת, ומייצר הפסדי I2R.The On-state Stress Drop (ראה:2VFLT:2VFLT 3:2 V for סטנדרטי thyristors, ומייצר חום משמעותי בזרם גבוה.
  • (FLT:0) שריפת אובדן FLT:1 - במהלך מעברי תפנית, נוכחות בו זמנית של מתח וזרם יוצר ספייק אנרגיה.למרות הפסדים אלה בולטים יותר ביישומים מהירים, פעולה רציפה בתדרים של מעבר מתון עדיין תורמת מתח תרמי משמעותי.

במבצע מתמשך, אובדן התנהגות שולט כי המכשיר מבלה את רוב זמנו במצב על-ידי המדינה.עם זאת, במערכות הנשלטות על-ידי שלב או מערכות מודבקות הדופק, הפסדים מעבר יכולים להפוך לתורמים גדולים.בנוסף, הדליפה הנוכחית במתחים חסימת גבוה מוסיפה מרכיב חום קטן אך לא-זניח, במיוחד ליד צומת חום מקסימלי.

כדי לכמת הפסדים אלה, מהנדסים מסתמכים על עקומות גליון נתונים המאגדות את הניתוק של כוח מיידי נגד הזרם והמתח.ליזום עקומות אלה על מחזור התפעולי מניב את הכוח הממוצע שמערכת הניהול התרמית חייבת להתמודד איתו.

התנגדות תרמית ומניעה: הפרדוקסים המרכזיים

היכולת להעביר חום מצומת הסיליקון לסביבה הממוקדת היא באמצעות התנגדות תרמית (FreaLT:0 ;RRIRFLT:1th, K / W) ומניעה תרמית (ראה:2ZuaFLT 3:2ZuaFLTth, עבור תנאים transientיים).

הנתיב התרמי מורכב ממספר שכבות, כל אחת עם התנגדות תרמית משלה:

  1. (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  2. (ב) ⁇ (ב) ⁇ (ב"ר): [13] ⁇ :2 (ג-ה)) ⁇ FLT 3 - תלוי בחומר הממשק התרמי (TIM) ולחץ גובר.
  3. (ב) [[1924]]]]]] [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]] ו[[1924]] [[1924]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]] [[1924]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]] [[1924]]]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[[[1924]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]] [[[[1924]]]]]]]]]] [[[[[[1924]]]]

ההתנגדות התרמית הצומת-למבינטית היא סכום של שלושה מרכיבים אלה.עבור פעולה רציפה, הטמפרטורה של צומת מצב יציב (FLT:0TreaFLT:1j) מחושבת כמו:

(ב) ויקרא י"ד): "וַיַּהְיִדָּבְהַה הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא" (ב)

שם (FLT:0)TigmLT:1a הוא טמפרטורה מבהילה ו (FLT:2sPilloFLT 3: 3 הוא סך של פיזור כוח. Exceed הטמפרטורה המקסימלית (בדרך כלל 125 מעלות צלזיוס עבור משחתנים סטנדרטיים, 150 מעלות צלזיוס לגרסאות עתיריות גבוהות) מוביל לכישלון מיידי או מופחת באופן דרסטי את החיים.

הדחף הירוך הופך רלוונטי במהלך וריאציות עומס, סטארט-אפ ומבצע הדופק.זה מהווה את הציפוי התרמית של החומרים, אשר מעכבים את הטמפרטורה עולה.עבור ניתוח מתמשך, עם זאת, ניתוחי מצב יציב מספיקים ברגע שהמערכת מגיעה למאזן תרמי.

טכניקות קירור: מ- Passive to Advanced

בחירת שיטת קירור נכונה תלויה בפיזור כוח, בתנאים נוחים, מגבלות חלל ועלויות.למטה, כל טכניקה נבחנת על התאמתה במבצע Thyristor המתמשך.

Air Cooling: Natural and Forced Convection

(FLT:0) ,Natural convectionFLT:1 , מבוסס על זרימת אוויר מונחה על פני תנור חום.זה דורש לא חלקים נעים, מה שהופך אותו אמין ושקט מאוד, אבל חום שלה תוספת חום הוא נמוך (בדרך כלל 5-15 W / m2K) עבור משחתנים נמוכים (עד כמה מאות וואט), הדבקה טבעית עם רמה גבוהה יותר, עם חום יכול לעתים קרובות יותר, עם חום גבוה יותר, עם חום גבוה יותר, עם חום גבוה יותר, עם טמפרטורות גבוהות יותר, עם חום יכול להיות גבוה יותר, עם טמפרטורות גבוהות יותר, עם חום טמפרטורות גבוהות יותר, עם טמפרטורות שטף גבוה יותר, 000 טמפרטורות .

(FLT:0)Forced airringFLT 1 מוסיף אחד או יותר אוהדים להגדיל את זרימת האוויר על פני תנור חום, העלאת המקדם של העברת חום ל 20-100 W / m2K. זה באופן דרמטי להפחית את נפח החום הנדרש ואת משקל. תצורה משותפת כולל אוהדי ציר (לחץ נמוך, זרימה גבוהה) ומכות מתפוצות סנטפוגל (לחץ גבוה, עבור מערכות קירור ארוך, כי הוא עדיין לחץ יעיל עבור קירור יעיל של לחץ אווירי, ללא קשר לטמפרטורה מוגבלת, ללא קשר לטמפרטורה מוגבלת, ללא קשר לטמפרטורה מוגבלת, ללא קשר לטמפרטורה יעילה, ללא קשר לטמפרטורה יעילה, כיבית).

כאשר משתמשים באוויר כפוי, עיצוב finolsink חייב להיות מותאם עבור זרימת האוויר הצפויה - sense fins לעבוד טוב עם מעריצים במהירות גבוהה, בעוד ספיגה פיננסית רחבה עדיף עבור מהירות נמוכה או זיהום טבעי. Heatsinks עם יחס גבוה פין לבסיס למקסם את שטח פני השטח אבל גם להגדיל את הלחץ.

Cooling: High Heat Flux Solutions

עבור Thyristors dissipating כמה קילווואט לעשרות קילווואט, קירור נוזלי הוא השיטה המועדפת. תערובת מים גליקול נפוצים בגלל יכולת החום הספציפי שלהם (כ 4.2 kJ / ק"ג מים) ו מוליכות תרמית מעולה (כ-0.6 W / mK) חום העברה יעילה בקירור יכול לעלות על 1000 /2K, המאפשר טמפרטורות קרות מאוד קומפקטיות וקומפקטיות.

ניתן לסווג מערכות קירור נוזליות כמו:

  • (FLT:0) שלילת נוזל נוזל נוזל הקירור של LT:1) - Coolant נשאר נוזל לאורך הלולאה. משאבה מפצה את הנוזל דרך צלחת קרה הרכוב ישירות על המקטור (או על מודול), ולאחר מכן לרדיו מרחוק או להחליף חום.ההגדרה זו אמינה וקלה לשמור, למרות שהיא דורשת בחירה זהירה של משאבה, רחצה, והתאמה למנוע דליפות וקורוז.
  • (FLT:0 Two-phase קירור (צנרת חום ותרמו-פיפון) FLT:1 - השתמש החום המאוחר של נפיחות להעביר כמויות גדולות של חום עם הבדל טמפרטורה מינימלית. צינורות חום משובצים ב תנור חום או קר מחבתות קרות חולפת חום עד גבול מרוחקת עבור שלך, צינורות משמשים לעתים קרובות עם שילוב אווירי או נוזל מוצק מאוד, אבל הם זקוקים למגבלות חום גבוהות מאוד (אך) אבל הם זקוקים לחום גבוה מאוד.

קירור נוזלי נפוץ במיוחד בערימות ממריצים בעוצמה גבוהה ואולמות ה-HVDC, שם אלפי מתלמידי חג המולד מסודרים בסדרה.הלאה הנוזלית מספקת בידוד חשמלי (באמצעות מים מחוסנים) והסרת חום יעילה.עם זאת, מורכבות המערכת, עלות ודרישות תחזוקה גבוהות משמעותית מקירור אוויר.

חומרי הממשק ה-Rirmal Interface

ללא קשר לנוזל הקירור, תנור חום (או צלחת קרה) כמעט תמיד הכרחי להפיץ את החום מחבילת חג המולד. מבחר חומרי הוא קריטי: נחושת מציעה את מוליכות תרמית הטובה ביותר ( ⁇ 400 W / mK) אבל הוא כבד ויקר; אלומיניום ( ⁇ 200 W/mK) הוא קל יותר וכלכלי יותר אבל דורש שטח גדול יותר.

חומרי ממשק תרמיים (TIM) ממלאים את הפערים המיקרוסקופיים בין המקרה של חג המולד לבין תנור חום, צמצום התנגדות מגע. Common TIMs כוללים:

  • (FLT:0) , Thermal grease (paste)veFLT:1) - מוליכות תרמית גבוהה (2-10 W/mK) אבל יכול לשאוב מעל מחזורים תרמיים.
  • (FLT:0) חומרי שינוי (PCMs)BuildFLT:1) - סולידריות בטמפרטורת החדר, התכה בטמפרטורה הפעלה כדי למלא פערים.
  • (ב) ,0) , מדרשים (ה') , קל ליישם אך יש להם התנהגות נמוכה יותר (1-5 W/mK) המתאימה להורדת נחיתות הכוח.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

לחץ על מגמת עלייה נכונה (כפי שצוין על ידי יצרן ה- Thyristor) מבטיח עמידות מינימלית לממשק, מעט מדי לחץ משאיר פערים אוויריים; יותר מדי יכול לפצח את סיליקון למות.

Cooling מתקדם: צינורות חום, מיקרו ערוצים, ו- Immersion

עבור היישומים התובעניים ביותר - כגון מחזרים עתירי אלקטרוליטיזה או ממירי כוח בקנה מידה מגה-וואט - טכניקות קירור צפויות מועסקים.

  • (FLT:0) כיור חום צינורית Heat צינורות חום 1OVA משלב את היכולת להפיץ צינורות חום עם ערמות פיננסיות, המאפשר התנהגות תרמית גבוהה מאוד (שווה ערך נחושת מוצקה בחלק קטן של המשקל) הם שימושיים במיוחד כאשר המקטור נמצא בחלל מוגבל, אך חום חייב להיות נדחה במיקום מרוחק.
  • (FLT:0Micro-channel-channel-FLT:1rough) מכיל ערוצים זעירים (100–500 מיקרומטר רחב) העמידים בבסיס, שבאמצעותם זורם זרימה קרירה במהירות גבוהה.זה מניב טמפרטורות חום מעל 10,000 W/m2K, ומאפשר הסרת חום קיצונית (מעל 500 W/2) מיקרו-ערוצים משמשים בדלקים בעוצמה גבוהה יותר ויותר מוחלים למודולים למחצה.
  • (FLT:0) ,Immersion קירורFLT:1 submerges the thyristor (או המודול כולו) בנוזל דיאלקטרי כגון פלורינרט או שמן מהפך. Heat מועבר ישירות משטח החבילה אל הנוזל, חיסול התנגדות ממשק ולספק בידוד חשמלי מעולה.

המונחים: Constant Thermal Management

מעבר לבחירת שיטת קירור, מהנדסים חייבים לקחת בחשבון מספר גורמים הקשורים כדי להבטיח שהתיאטרון פועל בתוך אזור התפעול הבטוח שלו (SOA) לאורך כל חייו.

מגבלות טמפרטורה והגבלות

גליונות נתונים מציינים את טמפרטורת הצומת המקסימלית (ראה FLT:0 ;0 ; t.j(max) , אך הפעלה ברציפות במגבלת זו מפחיתה מאוד את זמן הכשל (MT) פרקטיקה נפוצה היא לדה: לבחור את המכשף כזה מתחת לתנאי ה-C הגרועים ביותר הוא לפחות 20-30 מעלות מתחת למקסימום.

אופניים חמים ושומן

פעולה רציפה אינה מתכוונת לטמפרטורה קבועה.טעו וריאציות, שינויי טמפרטורה, וסטארט-אפ / צ'אט לאחור גורמים למחזורי אופניים תרמיים.כל מחזור מדגיש את האפקטיביות השונים של התרחבות תרמית (CTE) של סיליקון, מכר, נחושת ושכבות קרמיקה בחבילה.מעל אלפי מחזורים, זה מוביל לעייפות מכרה, לחבית, פענוח, או למות סדק כדי להפחית את האופניים התרמיים:

  • מזער את תנוחת הטמפרטורה (ראה:0) ⁇ FreaLT:1) על ידי שימוש בקירור חזק כי בעקבות שינויים עומס.
  • בחר את האריסטוקרטים עם חומרים מבסיסיים אשר מתאימים יותר ל- CTE של סיליקון (למשל, AlSiC או תרכובות נחושת-molybdenum).
  • השתמש בחומרי ממשק תרמיים התואמים תנועה ללא היווצרות של חלל (למשל, שינוי שלב TIM או כריות מקבילות מאוד).

בדיקות מחזוריות (per IEC 60747-15) חיוני כדי להעפיל עיצוב המיועד לפעולה רציפה עם תנודות עומס.

פיקוח והגנה

ניטור טמפרטורה פעיל משרת שתי מטרות: הגנה ואופטימיזציה.thermocouples, גלאי טמפרטורה התנגדות (RTDs), או NTC המתרמיסטים רכובים על המקרה של Thyristor (או מוטבעים בחום) לספק משוב לבקר. כאשר הטמפרטורה מתקרבת למגבלת המחוספס, בקר יכול לזרז את העומס הנוכחי, להגדיל את מהירות המעריצים, או להתאים את זרימת הקריר ביישומים קריטיים, מסגר יכול לסגור את המעביר חום, אם נית.

מודולים מודרניים של Thyristor לעתים משלב חיישן טמפרטורה בתוך החבילה, המציעה הערכה מדויקת יותר של טמפרטורת צומת טמפרטורה.בנוסף, מודלים תרמיים תרמיים באמצעות ניתוח אלמנטים סופי (FEA) או רשתות פרמטרים מגושם מאפשר למתכננים לחזות הפצה טמפרטורה לזהות כתמים חמים לפני בניית חומרה.

בידוד ובטיחות

Thyristors לפעול במתחים גבוהים, ואת מערכת הקירור לא צריך להתפשר בידוד חשמלי. במערכות אוויר-קו-אוויר, תנור החום הוא בדרך כלל מעומק, ואת מודול ה- Thyristor מספק בידוד דרך תת-קרקעי שלה (למשל, Al2O3 או AlN) בקירור נוזלי, מים מחוסנים משמשים כדי לשמור על עמידות גבוהה (מעל 1 M ⁇ ), וחילופים של 8 ליטרים חייבים תמיד להתרסקות חום.

דוגמאות מעשיות: ניהול תרמית בפעולה

כדי לראות את העקרונות האלה החלים, שקול שני תרחישים משותפים:

  • (FLT:0Medium-voltage Drive (500 A, 1 kV DC)teauFLT:1 - גשר שישה-pulse thyristor (six מכשירים) מתפזר בערך 3 קילוואט סך הכל.כאן, אוויר מאולץ עם כונן חימום מבוזר משותף ומעריצים כפולים הוא עלות.
  • (FLT:0)HVDC ממיר שסתום (3 kA, 400 kV)FLT:1 - אלפי אנשי הכנסייה הם משודרגים סדרה-מכוסים (כל אחד מתלמידי ה-KA, 400 kV) ואובדן הכוח הכולל יכול לעלות על 50 קילוואט נוזל באמצעות מים מחוסנים עם לולאה ראשונית ומשתניים (טמפרטורות אוויריות או מים להחלפה) הוא קבוע מתחת ל- 90 מעלות צלזיוס, כל אחת, הוא קבוע מתחת למחזור החיים שלו.

דוגמאות אלה ממחישות כיצד ניהול תרמי בקנה מידה עם דרישות כוח ואמינות.

מגמות עתידיות ב- Thyristor Thermal Management

כאשר אלקטרוניקה כוח דוחף לעבר יעילות גבוהה יותר וצפיפות כוח גבוהות יותר, כמה מגמות מתעוררות:

  • (FLT:0Wide Bandgap (WBG) Semiconductors (SiC, GaN) מסלקים את ה-Gorisriossssigp 1 ביישומים מסוימים, אך עמידה בצמיחה גבוהה ומתח נמוך על-המדינה עדיין מעדיף את האריסטוקרטים בטווח שבין כמה-kV.עם זאת, עיצובי חדשני (למשל GTOs, IGCTs, ו-Reverses), ו-Reverses, דורש לעתים קרובות להמשיך את אותם פתרונות מתקדמים.
  • ייצור ה-FLT:0 (הייצור התוספתי (3D-printed Heatsinks)FLT:1 מאפשר אופטימיזציה של גיאוגרפיות פיננסיות שאינן ניתנות למכונה, כגון מערך פינים או מבני מינוף, שיפור העברת חום תוך צמצום משקל.
  • (FLT:0) תאומים ובקרת תרמיים חיזויים של LT:1) משתמשים בנתונים בזמן אמת ולמידה מכונה כדי להתאים את קירור באופן דינמי, להאריך את חיי הרכיב ולהפחית את צריכת האנרגיה של מערכת הקירור.
  • (FLT:0 Two-phase ⁇ קירור FLT:1) נע בין ניסיוני למסחר, במיוחד עבור ממירי כוח בעלי עוצמה גבוהה במרכזי נתונים ומניעי אנרגיה מתחדשת.

(במבט מעמיק יותר על שיטות קירור מתקדמות, ה-FLT:0Electronics Cooling Magazine Cooling:Feloph:1 מספק מחקרים מצוינים וסקירות.מקור סמכותי נוסף הוא פתק יישום FLT:2 Infineon על עיצוב תרמי של Thyristor תרמית עיצובph 3, הכולל דוגמאות חישוביות מעשיות.

מסקנה

ניהול אריסטוקרטים במבצע מתמשך הוא אתגר הנדסי רב פנים.זה דורש הבנה מעמיקה של מנגנוני דור חום, מסלולי התנגדות תרמיים, ואת החוזקות והמגבלות של כל טכניקת קירור. על ידי בחירת גיאומטריה חום, זרימת אוויר, או פרמטרים של לולאה נוזלית, ועל ידי שילוב של דפדרציה, רכיבה תרמית, ניטור פעיל, מהנדסים יכולים להבטיח כי שלך לפעול באופן עקבי במשך שנים - אפילו תנאים קיצוניים של כוח להמשיך פתרונות כוח.