Интеллектуальные силовые модули CIPOS™ Mini IPM. Техническое описание. Часть 3

18 июля

Семейство высокоинтегрированных интеллектуальных силовых модулей CIPOSTM Mini производства Infineon ориентировано на получение минимальных габаритов и повышенной плотности мощности устройств преобразовательной техники. В них содержатся силовые транзисторы, драйверы управления, вспомогательные цепи – словом, все, что требуется для построения частотно-регулируемых электроприводов. Мы последовательно публикуем перевод подробного технического руководства Infineon для разработчиков силовой электроники, готовых применить CIPOSTM Mini в своих проектах.

Термические характеристики

Хороший тепловой проект системы электропривода на основе силового модуля CIPOSTM Mini является ключевым условием достижения высоких технико-экономических характеристик и надежности. Для этого необходимо решить две основных задачи:

  • обеспечить небольшую мощность потерь;
  • обеспечить небольшое тепловое сопротивление от тепловыделяющих компонентов силового модуля CIPOSTM Mini к окружающей среде.

Первую задачу в основном уже решили инженеры Infineon Power Semitech при создании силовых модулей CIPOSTM, а также разработчик системы электропривода – выбором модулей CIPOSTM Mini в качестве основного компонента проекта. Для решения второй задачи необходим правильный выбор теплоотводящего радиатора. Успешное решение этих задач обеспечивает достижение максимальной полезной мощности или повышение надежности работы (благодаря снижению максимальной температуры компонентов). Это техническое описание с кратким обзором вопросов определения мощности потерь в инверторе и теплоотвода поможет пользователю силового модуля CIPOSTM Mini определиться с режимом работы и правильно подобрать радиатор с учетом особенностей конкретного применения.

При выполнении теплового проекта необходимо определить:

  • максимальные мощности потерь каждого силового ключа в инверторе;
  • максимальные температуры силовых полупроводниковых приборов (как правило, речь идет о температуре p-n-перехода ТП макс, вблизи которого выделяется большая часть мощности потерь и, соответственно, достигается максимальная рабочая температура);
  • тепловой импеданс от p-n перехода к окружающей среде (обычно это – воздух) ZТ п-ос;
  • максимально возможную температуру окружающей среды ТОС макс.

При рассмотрении стационарных тепловых режимов вместо тепловых импедансов оперируют тепловыми сопротивлениями RТ п-ос. Полное тепловое сопротивление складывается из трех составляющих, включенных последовательно:

  • тепловое сопротивление между p-n-переходом чипа полупроводникового прибора и корпусом (основанием) силового модуля RТп-к, которое указано в технических условиях на модуль;
  • тепловое сопротивление между корпусом силового модуля и радиатором RТк-р, определяемое качеством термоинтерфейса между корпусом и радиатором;
  • тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средойRТ р-ос, которое указано в технических условиях на радиатор.

Каждая из отдельных составляющих теплового сопротивления может быть обобщена до теплового импеданса добавлением соответствующих теплоемкостей.

В силовом модуле установлено несколько тепловыделяющих чипов силовых полупроводниковых приборов, например, 4, 6 или 12. Поэтому, необходимо рассмотрение тепловых сопротивлений от каждого чипа на корпус модуля RТ п-к. На рисунке 23 показана упрощенная тепловая схема силового модуля CIPOSTM Mini. Для простоты рассматривается стационарный тепловой режим и поэтому из схемы исключены тепловые емкости. Все тепловые сопротивления RТп-к принимаются одинаковыми. Также на упрощенной схеме исключены из рассмотрения тепловые пути, по которым протекают незначительные тепловые потоки. Например, не учитывается теплопередача с корпуса модуля непосредственно в воздух, посредством конвекции и излучения, весьма малая по сравнению с теплопередачей через радиатор. 

Рис. 23. Упрощенная тепловая схема силового модуля CIPOSTM Mini

Рис. 23. Упрощенная тепловая схема силового модуля CIPOSTM Mini

Мощность потерь в силовом модуле CIPOSTM Mini

Полная мощность потерь в силовом модуле CIPOSTM Mini складывается из потерь проводимости и коммутационных потерь в IGBT и антипараллельных диодах инвертора. Потерями в закрытом состоянии силовых полупроводниковых приборов можно пренебречь ввиду их малой величины и незначительности влияния на нагрев. Потери в проводящем состоянии определяются прямым падением напряжения, то есть напряжением насыщения IGBT. Эти потери пропорциональны протекающему току и в значительной степени зависят от температуры чипа. Коммутационные потери определяются динамическими характеристиками силовых полупроводниковых приборов, такими как время включения и выключения, а также временные отрезки наложения, перекрытия осциллограмм тока и напряжения. Соответственно, для расчета коммутационных потерь необходимо учитывать, помимо протекающего тока и рабочей температуры чипов, напряжение силового источника питания инвертора, частоту ШИМ и паразитные параметры монтажа.

В этом разделе представлены формулы для расчета потерь в силовом модуле CIPOSTM Mini, работающем в трехфазной мостовой схеме с синусоидальными выходными токами в режиме непрерывного тока при активно-индуктивной нагрузке. Для расчета других режимов работы, например, при прерывистом выходном токе, обращайтесь к первоисточникам, например, к статье «Minimum-Loss Strategy for three-Phase PWM Rectifier» [4]. 

Потери в проводящем состоянии

Прямое падение напряжения IGBT и диодов аппроксимируется однотипными кусочно-линейными выражениями (формула 8):

$$V_{IGBT}=V_{0\:IGBT}+R_{IGBT}\times I_{K};\:V_{Д}=V_{0\:Д}+R_{Д}\times I_{Д},\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

где:

  • VIGBT – прямое падение напряжения на проводящем IGBT;
  • V0 IGBT – пороговое напряжение на аппроксимации характеристики проводимости IGBT;
  • RIGBT – динамическое сопротивление при аппроксимации характеристики проводимости IGBT;
  • IК – ток коллектора IGBT;
  • VД – прямое падение напряжения на проводящем диоде;
  • V0 Д – пороговое напряжение на аппроксимации прямой характеристики диода;
  • RД – динамическое сопротивление при аппроксимации прямой характеристики диода;
  • IД – прямой ток диода.

Предполагая частоту ШИМ достаточно высокой, чтобы можно было пренебречь высокочастотными пульсациями фазных токов, считаем эти токи синусоидальными (формула 9):

$$I=I_{макс}\times \cos (\Theta -\varphi ),\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

где:

  • Iмакс – амплитуда выходного тока инвертора;
  • φ – фазовый сдвиг между выходными напряжением и током.

При вычислениях по формулам 8 и 9 потери проводимости одного IGBT в полумосте, формирующем выходной фазный ток, рассчитываются по формуле 10:

$$\Delta P_{ПР\:IGBT}=\frac{1}{2\pi }\times \int_{0}^{\pi}{(\xi \times V_{IGBT}\times i)d\theta}=\\=I_{макс}\times V_{0\:IGBT}\times \left(\frac{1}{2\pi}+\frac{Mi}{8}\times \cos \varphi \right)+I_{макс}^2\times R_{IGBT}\times \left(\frac{1}{8}+\frac{Mi}{3\pi} \times \cos \varphi \right)\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

При вычислениях по формулам 8 и 9 потери проводимости одного антипараллельного диода в полумосте, формирующем выходной, фазный ток, рассчитываются по формуле 11:

$$\Delta P_{ПР\:Д}=\frac{1}{2\pi }\times \int_{0}^{\pi}{((1-\xi) \times V_{Д}\times i)d\theta}=\\=I_{макс}\times V_{0\:Д}\times \left(\frac{1}{2\pi}+\frac{Mi}{8}\times \cos \varphi \right)+I_{макс}^2\times R_{Д}\times \left(\frac{1}{8}+\frac{Mi}{3\pi} \times \cos \varphi \right)\qquad{\mathrm{(}}{11}{\mathrm{)}}$$

Суммарные потери прямой проводимости, приходящиеся на одну пару (из шести), состоящую из IGBT и антипараллельного диода, вычисляются по формуле 12:

$$\Delta P_{ПР}=\Delta P_{ПР\:IGBT}+\Delta P_{ПР\:Д}\qquad{\mathrm{(}}{12}{\mathrm{)}}$$

Здесь:

  • ξ = (1 + Mi × cosΘ)/2 – коэффициент заполнения ШИМ;
  • Mi = 2 × VФ макс/Vпит – индекс амплитудной модуляции ШИМ;
  • VФ макс – амплитуда выходного фазного напряжения инвертора;
  • Vпит – напряжение силового питания инвертора.

Суммарные потери проводимости в силовом трехфазном модуле рассчитываются умножением ΔPПР (вычисленного по формуле 12) на 6. 

Коммутационные потери

Для расчета коммутационных потерь предлагается использовать аппроксимацию (формулы 13, 14, 15):

$$\Delta W_{комм}=\left(E_{IGBT}+E_{Д} \right)\times I_{Вых}\qquad{\mathrm{(}}{13}{\mathrm{)}}$$

где ΔWкомм – энергия коммутационных потерь в паре IGBT + антипараллельный диод за один период коммутации, Дж;

$$E_{IGBT}=E_{IGBT\_Вкл}+E_{IGBT\_Выкл}\qquad{\mathrm{(}}{14}{\mathrm{)}}$$

где EIGBT – это коэффициент коммутационных потерь IGBT за один период коммутации (одно включение и одно выключение), имеющий размерность В⋅с, то есть Вб (Вебер), и считающийся примерно постоянным;

$$E_{Д}=E_{Д\_Вкл}+E_{Д\_Выкл}\qquad{\mathrm{(}}{15}{\mathrm{)}}$$

где EД – это коэффициент коммутационных потерь антипараллельного диода за один период коммутации, имеющий размерность В⋅с и считающийся примерно постоянным, то есть не зависящим от режима работы (тока, температуры, скорости переключения и прочего).

С учетом условий и предположений, указанных при выводе формулы 9, и аппроксимации коммутационных потерь, вычисляемых по формулам 13…15, получаем мощность коммутационных потерь на одну пару приборов, состоящую из IGBT и антипараллельного диода (формула 16):

$$\Delta P_{Комм}=\frac{\left(E_{IGBT}+E_{Д} \right)\times I_{Вых}\times F_{Комм}}{\pi},\qquad{\mathrm{(}}{16}{\mathrm{)}}$$

где FКомм – частота коммутации (ШИМ).

Еще раз отметим, что EIGBT и EД – константы, уникальные для каждого определенного типа IGBT и антипараллельного диода. Они определяются на основе экспериментального измерения коммутационных потерь. При принятой модели (формула 13) мощность коммутационных потерь прямо пропорциональна выходному току и частоте ШИМ.

Тепловой импеданс

В большинстве реальных применений силовых модулей CIPOSTM Mini мощность потерь не остается постоянной, но циклически изменяется (пульсирует). В этом случае для расчетов превышения температуры чипа над окружающей средой необходимо использовать тепловые импедансы (а не сопротивления). Реальную сложную зависимость теплового импеданса от времени удобно представлять многозвенной тепловой схемой замещения, как показано на рисунке 24. Теплоемкости, представленные на схеме замещения на рисунке 24 конденсаторами СТ, значительно снижают размах колебаний температуры при быстрых изменениях рассеиваемой мощности. Зависимость теплового импеданса от времени показана на рисунке 25 на примере силового модуля IGCM10F60xA. Другие модели силовых модулей CIPOSTM Mini имеют похожие термические характеристики. 

Рис. 24. Динамическая схема замещения для моделирования тепловых режимов

Рис. 24. Динамическая схема замещения для моделирования тепловых режимов

Рис. 25. Тепловой импеданс цепи «чип силового ключа – корпус модуля» в зависимости от времени на примере IGCM10F60xA

Рис. 25. Тепловой импеданс цепи «чип силового ключа – корпус модуля» в зависимости от времени на примере IGCM10F60xA

Пример расчета нарастания температуры чипа силового модуля

Симулятор CIPOSIM обеспечивает расчет мощности потерь и температурных профилей компонентов в составе силового модуля при заданной постоянной температуре основания модуля. На рисунке 26 показаны результаты расчета, использующего типовые зависимости мощностей потерь компонентов для силового модуля CIPOSTM Mini IGCM10F60zA при следующих условиях:

  • напряжение питания силовой цепи Vпит = 300 В;
  • напряжение питания драйверов VDD = 15 В;
  • температура p-n-перехода чипа ТП = 150°С;
  • температура корпуса (основания) модуля ТК = 100°С;
  • cosφ = 0,8;
  • трехфазная система синусоидальных токов нагрузки на частоте 60 Гц в режиме непрерывного тока.

Переменным параметром является частота ШИМ. Представлена зависимость максимального выходного тока при условии достижения чипами температуры 150°С – предельной, при которой еще гарантируется надежная работа силового модуля CIPOSTM Mini.

Рис. 26. Зависимость амплитуды синусоидального тока частотой 60 Гц силового модуля CIPOSTM Mini от частоты ШИМ на примере IGCM10F60xA

Рис. 26. Зависимость амплитуды синусоидального тока частотой 60 Гц силового модуля CIPOSTM Mini от частоты ШИМ на примере IGCM10F60xA

Краткое руководство по выбору теплоотводящего радиатора

Требуемые характеристики радиатора

Если известны мощность потерь в каждом силовом ключе инвертора ΔPКл = ΔPПР + ΔPКомм (где ΔPПР вычислено по формуле 12, а ΔPКомм – по формуле 16), индивидуальное тепловое сопротивление от чипа силового ключа до корпуса модуля RТ п-к и максимально возможная температура окружающей среды ТОС макс, то можно определить требуемые характеристики радиатора и термоинтерфейса между корпусом силового модуля и радиатором (формула 17). Расчетная схема представлена на рисунке 23.

$$T_{П\:макс}=T_{ОС\:макс}+\sum{\Delta P_{Кл}\times R_{T\:р-ос}}+\sum{\Delta P_{Кл}\times R_{T\:к-р}}+max(\Delta P_{Кл}\times R_{T\:п-к})\qquad{\mathrm{(}}{17}{\mathrm{)}}$$

Предполагая для трехфазного мостового инвертора, что все шесть силовых ключей рассеивают одинаковую мощность ΔPКл и имеют одинаковое тепловое сопротивление RТ п-к, на основе формулы 17 определяем допустимое тепловое сопротивление между корпусом силового модуля и окружающей средой (воздухом) по формуле 18:

$$R_{T\:к-ос}=R_{T\:к-р}+R_{T\:р-ос}=\frac{(T_{П\:макс}-\Delta P_{Кл}\times R_{T\:п-к}-T_{ОС\:макс})}{\Sigma \Delta P_{Кл}}\qquad{\mathrm{(}}{18}{\mathrm{)}}$$

Например, если силовые ключи в электроприводе стиральной машины выделяют по 3,5 Вт тепловой мощности каждый, максимально возможная температура окружающей среды ТОС макс равна 50°С, максимально допустимая температура p-nперехода силового ключа ТП макс равна 150°С и индивидуальное тепловое сопротивление от чипа силового ключа до корпуса модуля RТ п-к составляет 3 К/Вт, то тепловое сопротивление между корпусом силового модуля и окружающей средой должно быть не более, чем (формула 19):

$$R_{T\:к-ос} \leq \frac{(150^{\circ}C-3.5\:Вт \times 3\:К/Вт-50^{\circ}C)}{6\times 3.5\:Вт}=4.3\:К/Вт\qquad{\mathrm{(}}{19}{\mathrm{)}}$$

Если в том же примере ввести ограничение, чтобы температура радиатора не превышала 100°С, то требование к величине теплового сопротивления между корпусом силового модуля и окружающей средой ужесточится (формула 20):

$$R_{T\:к-ос} \leq \frac{(100^{\circ}C-50^{\circ}C)}{6\times 3.5\:Вт}=2.4\:К/Вт\qquad{\mathrm{(}}{20}{\mathrm{)}}$$

Если максимальная мощность тепловыделения имеется только на сравнительно коротких интервалах времени (более коротких, чем тепловая постоянная времени радиатора, равная произведению его теплоемкости и теплового сопротивления), то требования к величине теплового сопротивления между корпусом силового модуля и окружающей средой можно ослабить, то есть применить радиатор меньшего размера, имеющего повышенное тепловое сопротивление. Однако это потребует более тщательного анализа в отношении циклограммы выделения мощности и температурных профилей силовых ключей. 

Свойства теплоотводящего радиатора

Поведение теплоотводящего радиатора определяется тремя группами параметров, характеризующими следующие процессы:

  • передачу тепла от источника тепла к радиатору;
  • распространение тепла по радиатору ко всем его теплорассеивающим поверхностям;
  • передачу тепла с поверхностей радиатора окружающему воздуху. 

Передача тепла от источника тепла к радиатору

Для обеспечения хорошей теплопередачи от источника тепла к радиатору необходимо принимать во внимание два фактора:

  • обеспечение достаточно хорошей плоскостности поверхности радиатора в зоне механического контакта с плоским тепловыделяющим телом;
  • обеспечение достаточного усилия прижима (контактного давления) тепловыделяющего тела к радиатору.

Из-за неточности формы (неплоскостности) радиатора и тепловыделяющего тела в зоне их сопряжения мы имеем очень малую площадь металлического контакта – только по выступам поверхностей. Чтобы улучшить теплопередачу, пустоты между плоскими поверхностями заполняются теплопроводящей пастой (термоинтерфейсом). Однако удельная теплопроводность даже лучших термопаст не превышает 10 Вт/(К⋅м) (в оригинальной документации описка: 10 К/Вт – Прим. переводчика), что на полтора-два порядка хуже, чем у металла, из которого изготовлен радиатор. Поэтому крайне важно, чтобы слой термопасты был максимально тонким. Это достигается за счет плоской и гладкой поверхности радиатора в зоне его сопряжения с источником тепла. Кроме того, важно, чтобы размеры твердых теплопроводящих частиц в составе термопасты были достаточно малыми по сравнению с неровностями поверхностей. В противном случае эти частицы не позволят получить хороший прижим, толщина слоя пасты увеличится и, соответственно, вырастет переходное тепловое сопротивление. Но размеры твердых теплопроводящих частиц в составе термопасты не должны быть и слишком малыми. Иначе не гарантируется, что они хорошо заполнят неровности между сопрягаемыми поверхностями, а это может привести к увеличению переходного теплового сопротивления. Увеличение силы прижима тепловыделяющего тела к радиатору и, соответственно, контактного давления улучшает равномерность распределения термопасты в зоне контакта и снижает переходное тепловое сопротивление. Однако по мере увеличения контактного давления все более проявляется эффект насыщения, приводящий к ослаблению снижения теплового сопротивления. Кроме того, возможности увеличения силы прижима ограничены механической прочностью сопрягаемых тел и крепежных деталей. Таким образом, требования к плоскостности радиатора в зоне прижима тепловыделяющего тела, свойства применяемой термопасты и ее количество, а также величина контактного давления должны быть согласованы между собой. 

Распространение тепла по радиатору

Распространение тепла по радиатору в основном определяется следующими факторами:

  • Хорошей удельной теплопроводностью материала (металла), из которого изготовлен радиатор. Из соображений снижения массы и цены радиатора наиболее часто применяются алюминиевые сплавы, имеющие удельную теплопроводность около 200 Вт/(К⋅м). Медь значительно тяжелее и дороже, но имеет почти вдвое лучшую удельную теплопроводность (примерно 380 Вт/(К⋅м)).
  • Толщиной теплорассеивающих ребер радиатора. Если ребра слишком тонкие, то тепловое сопротивление увеличивается, и эффективность теплорассеивания с поверхности ребер уменьшается. Но применение тонких ребер позволяет увеличить их количество и, соответственно, повысить площадь радиатора, с которой тепло отводится в окружающую среду. Поэтому толщину ребер (и других теплопроводящих участков радиатора) устанавливают из этих компромиссных соображений.

Передача тепла с поверхностей радиатора в окружающую среду

Теплопередача с поверхностей радиатора в окружающую среду происходит преимущественно за счет конвекции. Соответствующее тепловое сопротивление вычисляется по формуле 21:

$$R_{T\:конвект.}=\frac{1}{\alpha \times S},\qquad{\mathrm{(}}{21}{\mathrm{)}}$$

где α – коэффициент удельной теплоотдачи, Вт/(К×м2);

S – площадь поверхности, с которой происходит теплоотдача в окружающую среду, м2.

Соответственно, при проектировании радиатора принимают во внимание две группы параметров:

  • Площадь теплоотводящей поверхности радиатора нужно максимально увеличить. Однако простое увеличение длины радиатора (в направлении вдоль ребер) не ведет к пропорциональному уменьшению его теплового сопротивления, так как все более сильно проявляется сопротивление растеканию тепла от зоны контакта радиатора с телом-источником тепла к удаленным участкам ребер (температура на краях радиатора оказывается заметно ниже, чем в его центре, в зоне контакта радиатора с источником тепла). Также и увеличение площади за счет большего числа более тонких ребер не дает монотонного выигрыша в тепловом сопротивлении, как указано выше в разделе «Распространение тепла по радиатору..
  • Коэффициент удельной теплоотдачи α существенно зависит от скорости течения потока воздуха (вдоль поверхности ребер радиатора), как показано на рисунке 27. Скорость течения воздуха задается вентилятором, а в отсутствии принудительной вентиляции определяется естественной конвекцией. Следует обратить внимание, что естественная конвекция чувствительна к величине воздушного зазора между ребрами радиатора. Если зазор выбрать слишком малым, то скорость течения потока воздуха сильно уменьшается и коэффициент теплоотдачи падает. Поэтому радиаторы, предназначенные для работы при естественной конвекции, имеют сравнительно большие зазоры между ребрами. И наоборот, если применяется принудительное течение воздуха с помощью вентилятора, возможно значительное уменьшение зазоров между ребрами и, соответственно, увеличение их количества при одном и том же объеме, занимаемом радиатором.

Рис. 27. Зависимость теплового сопротивления «радиатор - окружающая среда» от скорости течения воздушного потока

Рис. 27. Зависимость теплового сопротивления «радиатор — окружающая среда» от скорости течения воздушного потока

При естественной конвекции следует иметь в виду, что коэффициент удельной теплоотдачи α зависит также от величины перепада температуры между теплорассеивающей поверхностью и окружающим воздухом: по мере повышения разности температур коэффициент удельной теплоотдачи увеличивается. Поэтому при увеличении мощности, которую должен рассеивать радиатор, его тепловое сопротивление уменьшается, и температура радиатора увеличивается медленнее, чем подводимая к нему тепловая мощность. Некоторые производители радиаторов, например, Aavid Thermalloy, приводят таблицы для поправочных коэффициентов, позволяющих рассчитать тепловое сопротивление радиатора в зависимости от перепада температуры. На рисунке 28 показана зависимость ухудшения эффективности радиатора при уменьшении разности температур в условиях естественной конвекции [6]. Обратите внимание, что, например, тепловое сопротивление радиатора при рассеиваемой тепловой мощности 30 Вт на 25% больше, чем при мощности 75 Вт.

Рис. 28. Поправочный коэффициент для учета зависимости эффективности теплоотдачи при естественной конвекции между теплорассеивающей поверхностью радиатора и окружающим воздухом

Рис. 28. Поправочный коэффициент для учета зависимости эффективности теплоотдачи при естественной конвекции между теплорассеивающей поверхностью радиатора и окружающим воздухом

В условиях естественной конвекции на эффективность радиатора влияет также его расположение в пространстве относительно направления действия силы земного притяжения. Наиболее эффективно вертикальное расположение ребер радиатора.

Помимо конвекции, тепло с поверхностей радиатора рассеивается за счет его излучения. Для увеличения этого эффекта полезно увеличивать степень черноты поверхности радиатора, например, за счет анодирования алюминия. Однако для хорошо спроектированных радиаторов, имеющих небольшое тепловое сопротивление, вклад излучения в общую теплоотдачу не превышает нескольких процентов при доминировании механизма конвекции. Тем более незначителен вклад теплоотдачи излучением в радиаторах с принудительной продувкой воздуха вентилятором. Поэтому такие радиаторы, как правило, не чернят.

Вышеизложенное показывает, что нельзя однозначно указать значение теплового сопротивления радиатора без формулировки дополнительных параметров, характеризующих условия его применения. 

Подбор подходящей модели радиатора

К сожалению, не существует прямого алгоритма для подбора подходящего радиатора. Необходимо выполнить несколько итераций по выбору приблизительно подходящих моделей и проверке возможности их применения. Чтобы сократить количество итераций, в качестве первого приближения полезно определиться с примерным требуемым объемом радиатора. Удельный эффективный объем ребристых радиаторов в зависимости от скорости течения воздуха вдоль ребер приведен в таблице 18 (данные заимствованы из публикации [7]). Эту информацию следует рассматривать лишь как первоначальный выбор, поскольку реальное тепловое сопротивление радиатора сильно варьируется в зависимости от множества факторов, таких как его размеры, тип, ориентация в пространстве и так далее.

Таблица 18. Удельное тепловое сопротивление ребристых радиаторов на единицу их объема

Скорость течения воздушного потока, м/с Удельное объемное тепловое сопротивление, см3×°С/Вт
Естественная конвекция 500…800
1,0 150…250
2,5 80…150
5,0 50…80

Ориентировочно можно полагать, что для уменьшения теплового сопротивления радиатора вдвое его объем требуется увеличить вчетверо. Это требует большего пространства для размещения радиатора при естественной конвекции или перехода к принудительной конвекции.

Для того чтобы оптимально подобрать радиатор для конкретных особенностей применения, необходимо контактировать со службой технической поддержки производителей радиаторов или консультантами. Опорную информацию можно найти в технической документации [8]. При этом важно правильно определить параметры и условия применения радиатора в конкретном проекте. В частности, необходимо учитывать, как источники тепла распределены по поверхности радиатора. Также следует помнить, что имеется возможность оптимизации расстояния между ребрами радиатора в зависимости от условий движения воздушного потока. 

Монтаж радиатора и установка силовых модулей CIPOSTM Mini в систему электропривода

Общие принципы монтажа

Адекватные характеристики теплоотвода от силового модуля CIPOSTM Mini достигаются только при его правильном монтаже. Это – фундаментальное требование для получения электрических и тепловых параметров силового модуля CIPOSTM Mini, заявленных в его технических условиях. При монтаже модуля на радиатор необходимо обратить внимание и проконтролировать выполнение следующих аспектов:

  • на радиаторе, изготовленном из алюминиевого сплава или меди, не должно быть заусенцев;
  • отверстия в радиаторе должны иметь зенковку;
  • на радиаторе не должно быть неровностей или царапин;
  • поверхность силового модуля CIPOSTM Mini должна полностью контактировать с радиатором;
  • на поверхности радиатора не должно быть окислов, пятен или заусенцев.

Для улучшения теплопроводности в зону контакта силового модуля CIPOSTM Mini с радиатором добавляют кремний-органическую термопасту. Для этого ее наносят равномерным слоем толщиной 100 мкм на поверхность модуля. При значительной неплоскостности опорной поверхности радиатора может потребоваться более толстый слой термопасты. Пожалуйста, проверьте по спецификациям производителя радиатора, какая неровность поверхности допустима. Также следует обратить внимание, что опорная поверхность радиатора должна полностью покрывать корпус силового модуля CIPOSTM Mini. В противном случае возможно нештатное поведение модуля.

Монтажные винты, крепящие корпус силового модуля CIPOSTM Mini к радиатору, следует затягивать в несколько этапов, последовательно чередуя винты между собой. Если это требование не соблюдать и сразу затягивать один из винтов на полный крутящий момент, возможно искривление основания корпуса силового модуля CIPOSTM Mini, вызывающее потерю эффективности в теплопередаче от модуля к радиатору.

Следует убедиться, что применяемая печатная плата, на которую распаивается силовой модуль CIPOSTM Mini и крепится радиатор, обеспечивает параллельность поверхностей корпуса модуля и радиатора для достижения минимальных механических напряжений и оптимального теплового контакта. Пожалуйста, проверьте это по спецификациям силового модуля CIPOSTM Mini, приводимым в его технической документации.

Хорошей инженерной практикой является экспериментальная проверка функциональных и тепловых характеристик посредством выполнения детальных измерений. Лучше всего провести эту проверку на системе электропривода, изготовленной по окончательной технологии серийного производства. Это поможет достичь высокого качества продукции. 

Рекомендуемый момент затяжки крепежных винтов

Как показано в таблице 19, винты М3 должны затягиваться моментом 0,69 Н⋅м (типичное значение)…0,78 Н⋅м (предельное значение). Центры отверстий для крепежных винтов, выполненные в радиаторе, должны быть совмещены с проемами в корпусе силового модуля CIPOSTM Mini таким образом, чтобы винты при затягивании не касались эпоксидного корпуса модуля. Если при монтаже применяется изоляционная прокладка между корпусом модуля и радиатором, то ее размеры должны быть больше, чем у силового модуля CIPOSTM Mini, а ее положение — выровнено относительно корпуса (равномерный нахлест листа прокладки со всех краев от корпуса модуля). Важно убедиться, чтобы под листом изоляционной прокладки не осталось воздушных пузырей. В общем случае, изоляционную прокладку применяют:

  • когда требуется выдерживать большое испытательное напряжение для выполнения требований стандарта безопасности в отношении предотвращения опасных ситуаций;
  • когда корпус силового модуля CIPOSTM Mini должен быть изолирован от радиатора;
  • когда требуется уменьшить электромагнитные помехи, генерируемые модулем, или имеются некоторые другие проблемы с трансляцией сигналов.

Таблица 19. Спецификация монтажа силового модуля CIPOSTM Mini на радиатор

Характеристика Условия Корпус модуля Пределы
Минимум Типично Максимум
Момент затяжки винтов, Н⋅м Монтажные винты М3 Fullpack 0,59 0,69 0,78
DCB 0,49 0,78
Неплоскостность модуля, мкм См. рисунок 29 -50 +100
Неплоскостность радиатора, мкм См. рисунок 30 0 +100
Вес сборки, г Fullpack 6,15
DCB 6,58

Рисунок 29 поясняет расположение базовых поверхностей силового модуля CIPOSTM Mini, на которых нормируется неплоскостность в вариантах корпуса Fullpackи DCB. Рисунок 30 поясняет измерение неплоскостности базовой поверхности радиатора.

Рис. 29. База для нормирования неплоскостности корпуса силового модуля CIPOSTM Mini в вариантах Fullpack и DCB

Рис. 29. База для нормирования неплоскостности корпуса силового модуля CIPOSTM Mini в вариантах Fullpack и DCB

Рис. 30. Измерение неплоскостности базовой поверхности радиатора

Рис. 30. Измерение неплоскостности базовой поверхности радиатора

Подтяжка винтов при установке силового модуля CIPOSTM Mini на радиатор

Подтяжка винтов – ключевой процесс при установке силового модуля CIPOSTM Mini на радиатор. Подразумевается, что на поверхности радиатора нанесен термоинтерфейс, распространяющийся до границ силового модуля  и ограниченный монтажными отверстиями. Рекомендуется, чтобы монтажные винты М3 использовались в сочетании с плоской и пружинной шайбами. При этом пружинная шайба устанавливается между плоской шайбой и головкой винта. Заданный крутящий момент должен контролироваться монтажным инструментом.

Процесс затяжки винтов:

  • выровнять корпус модуля относительно отверстий в радиаторе для монтажных винтов;
  • вставить винт «А» вместе с шайбами в отверстие и сделать предварительную затяжку;
  • вставить винт «Б» вместе с шайбами в отверстие и сделать предварительную затяжку;
  • окончательно затянуть винт «А»;
  • окончательно затянуть винт «Б».

Примечание: момент предварительной затяжки устанавливается на уровне 20…30% от величины момента окончательно затяжки.

Крепежные винты

Для крепления силового модуля CIPOSTM Mini к радиатору рекомендуются винты М3 типа SEMS (JISB1256/JISB1188). Спецификация винтов и шайб приводится в таблице 20, размеры – на рисунке 31.

Рис. 31. Размеры монтажного винта и пружинной шайбы

Рис. 31. Размеры монтажного винта и пружинной шайбы

Таблица 20. Рекомендуемая спецификация крепежных деталей для установки силового модуля CIPOSTM Mini на радиатор

Размеры винта Плоская шайба Пружинная шайба
Диаметр резьбы Шаг резьбы А Н D W D1 B×T
Диаметр головки Высота головки Наружный диаметр Толщина Наружный диаметр
М3 0,5 5,2 2,0 7,0 0,5 5 1,1×0,7

Рекомендуемая форма радиатора для теплоотвода от силового модуля CIPOSTM Mini и порядок сборки системы

Сильный удар или вибрация, передаваемые на силовой модуль CIPOSTM Mini со стороны печатной платы или радиатора, могут расколоть его корпус. Для исключения возможности разлома или растрескивания корпуса силового модуля и для обеспечения его стойкости в отношении ударов и вибраций, следующих со стороны печатной платы или радиатора, рекомендуется использовать ребристый радиатор, имеющий форму, показанную на рисунке 32. Радиатор крепится к печатной плате винтами или клипсами. При серийном производстве применяемая последовательность технологических операций (распайка модуля на печатную плату, монтаж радиатора, монтаж корпуса устройства и так далее) должна обеспечивать исключение механических нагрузок на выводы модуля, на его эпоксидный корпус, радиатор и другие компоненты.

Рис. 32. Рекомендуемая форма радиатора и его крепление к печатной плате и силовому модулю CIPOSTM Mini

Рис. 32. Рекомендуемая форма радиатора и его крепление к печатной плате и силовому модулю CIPOSTM Mini

Руководство по монтажу силового модуля CIPOSTM Mini

Большое рассогласование в усилиях затяжки крепежных винтов при установке силового модуля CIPOSTM Mini на радиатор может вызывать опасные механические напряжения в зоне установки чипов и других компонентов внутри модуля. Эти напряжения могут приводить к поломке или деградации параметров модуля. Для устранения этой опасности следует выполнять монтаж в соответствии с описанными выше требованиями. При этом недопустимо превышать максимальный момент затяжки винтов, указанный в таблице 19. Превышение максимально допустимого момента может вызвать повреждение корпуса модуля, винтов или радиатора. Для обеспечения эффективной теплопередачи с корпуса модуля на радиатор необходимо иметь максимально возможную площадь контакта между ними, что минимизирует контактное тепловое сопротивление.

Поверхность радиатора, покрываемая термопастой, должна несколько выступать за габариты корпуса силового модуля CIPOSTM Mini. Это благоприятно, в том числе — в отношении защиты контактной поверхности от коррозии. Применяемая термопаста должна иметь стабильные характеристики и высокое качество, обеспечивая долговременную надежность в широком диапазоне рабочих температур. Используйте тарированный шуруповерт для затяжки крепежных винтов при точной величине крутящего момента. Превышение заданных пределов момента может вызывать повреждение силового модуля CIPOSTM Mini или деградацию его характеристик. Обратите внимание на недопустимость любых загрязнений на контактных поверхностях силового модуля CIPOSTM Mini и радиатора. Весь инструмент и оборудование, используемые при монтаже силового модуля CIPOSTM Mini, должны полностью соответствовать стандартам безопасности в отношении электростатики. Это включает, в том числе, процедуры транспортировки, хранения и монтажа. Модули являются приборами, чувствительными к электростатическим разрядам, поэтому меры предосторожности должны тщательно выполняться.

В собранном виде не трясите и не поднимайте устройство отдельно за радиатор, а также, что особенно важно, не допускайте ударов по печатной плате, держа устройство за радиатор. Это может вызвать растрескивание корпуса силового модуля CIPOSTM Mini.

Рекомендуемые условия хранения:

  • температура хранения: 5…35°С;
  • относительная влажность при хранении: 45…75%;
  • не допускается хранение силового модуля CIPOSTM Mini при высокой влажности или в условиях воздействия прямых солнечных лучей. Особая осторожность требуется во время дождя или снега;
  • в зоне хранения должны быть минимальные температурные флуктуации;
  • быстрые изменения температуры могут вызывать конденсацию влаги и выпадение росы на хранящихся силовых модулях CIPOSTM Mini IPM. Это приводит к окислению и коррозии выводов модулей и, как следствие, к ухудшению их паяемости;
  • не допускается нахождение силовых модулей CIPOSTM Mini IPM в атмосфере коррозионно-активных газов или при наличии химических загрязнений;
  • не допускается приложение чрезмерных внешних сил или нагрузок к силовым модулям CIPOSTM Mini IPM во время их хранения. 

Литература

  1. Ruething, F. Hille, F.-J. Niedernostheide, H.-J. Schulze, B. Brunner, “600V Reverse Conducting (RC-)IGBT for drives Applications in Ultra-Thin Wafer Technology“, ISPSD 2007
  2. Keggenhoff, Z.Liang, Andre Arens, P. Kanschat, R. Rudolf. “Novel SOI Driver for Low Power DriveApplications”, Power Systems Design Europe Nov. 2005
  3. Frank, J. Oehmen, A. Arens, D. Chung, J. Lee, “A new intelligent power module for home appliances”,Proceedings of PCIM 2009, Nuremberg, Germany
  4. Chung, S. Sul , «Minimum-Loss Strategy for three-Phase PWM Rectifier”, IEEE Transactions onIndustrial Electronics, Vol. 46, No. 3, June, 1 999
  5. CIPOSIM – CIPOS™ Mini Simulator, Infineon Technologies Power Semitech, 2009
  6. Aavid Thermalloy
  7. Lee, “How to select a heat sink”, Electronics Coolings, Vol.1, No.1, June 1995
  8. Infineon Technologies, application note of 650V CoolMOS™ CFD2

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

    1. Интеллектуальные силовые модули CIPOS™ Mini IPM. Техническое описание. Часть 1
    2. Интеллектуальные силовые модули CIPOS™ Mini IPM. Техническое описание. Часть 2

Перевели Алексей и Сергей Поповы по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
IGCM06F60GAXKMA1 (INFIN)
IGCM10F60GAXKMA1 (INFIN)
IGCM04F60HAXKMA1 (INFIN)
IGCM06B60HAXKMA1 (INFIN)
IGCM06G60HAXKMA1 (INFIN)
IGCM15F60GAXKMA1 (INFIN)
IGCM04B60GAXKMA1 (INFIN)
IKCM20L60GAXKMA1 (INFIN)
IKCM10H60GAXKMA1 (INFIN)
IKCM15H60GAXKMA1 (INFIN)
IKCM20L60GDXKMA1 (INFIN)
IKCM30F60GAXKMA1 (INFIN)
IKCM15L60GAXKMA1 (INFIN)
IKCM15L60GDXKMA1 (INFIN)