Teljesítményelektronikai ötletek – 27

A redundáns tápellátó rendszerekben több tápegység együtt felelős a megbízható energiaellátásért. Fontos szempont, hogy a működő rendszerben a tápegységek bármelyikét bármikor, kikapcsolás nélkül eltávolítani vagy cserélni lehessen. Az ilyen „hot swap” rendszerek néhány konstrukciós kérdését vizsgálják Robert most következő cikkei – elsőként a kapcsolófélvezető termikus biztonsága szempontjából.

Egy „hot swap” MOSFET tranziens melegedésvizsgálata – 1. rész

Ebben és a következő folytatásunkban egyszerű módszert ismertetünk egy hot-swap rendszerben használt MOSFET-kapcsoló hőmérséklet-emelkedésének becslésére. A hot-swap áramkör egyik fontos rendeltetése annak az áramlökésnek a korlátozása, ami akkor lép fel, amikor egy kapacitív bemenetű eszközt egy bekapcsolt tápfeszültségsínre kapcsolunk. Ezt azért kell megtennünk, hogy a tápsín feszültsége ne essen le, amíg az újonnan bekapcsolt eszköz kondenzátorai feltöltődnek, mert az átmeneti feszültségesés a közben folyamatosan működő rendszert megzavarhatja. A hot-swap áramkör ezt azzal éri el, hogy megnyújtja az újonnan csatlakoztatott kapacitív terhelés töltődési idejét, amelyre egy soros áramköri elem áramkorlátozó hatását használja fel. Következésképpen ez a korlátozó elem jelentős disszipációt kénytelen elviselni a töltődési folyamat során. A hot-swap megoldásokra szánt félvezetők legtöbb gyártója azt javasolja, hogy a félvezető eszköz biztonságos működési tartományát ábrázoló (SOA^[1]) diagramok tanulmányozásával keressük meg azt a munkapontot, amely még nem okozza a félvezető eszköz túlterhelődését. Az 1. ábrán látható SOA-görbék az energia és a teljesítménydisszipáció elfogadható régióját határolják körül egy adott félvezető eszköznél. Ezek a gyártó által meghatározott görbék az elviselhető működési tartománynak rendszerint nagyon „óvatos”, konzervatív becslését adják. A legfontosabb szempontjuk, hogy a réteghőmérséklet ne lépje túl a specifikációban adott megengedett maximális értéket. A görbék grafikus formában teszik láthatóvá azt a tényt is, hogy az eszköz rövid ideig képes igen nagy veszteségi teljesítményt is elviselni, amelynek az eszköz termikus kapacitása az oka. Ez azonban segíthet minket abban, hogy egy pontosabb termikus modell kialakításával kevésbé konzervatív, realisztikusabb becslést adhassunk.  

1.ábra Egy MOSFET SOA-görbéi adják a kiindulási alapot a megengedett energiadisszipáció becsléséhez

    Sorozatunk 8. folytatásában [1] egy olyan rendszer elektromos modelláramkörét vizsgáltuk, amely alkalmas volt arra, hogy a termikus rendszer hőleadó képességéről adjon számot. Kimutattuk, hogy analógia van a hőmennyiség és az áram, a hőmérséklet és a feszültség, valamint a termikus és a villamos ellenállás között. A mostani cikkünkben egy újabb analógiával bővítjük ezt a rendszert: a termikus és elektromos kapacitás közötti hasonlósággal. Ha egy anyagdarabbal hőt közlünk, annak hőmérséklete a közölt energia (Q), a test tömege (m), fajhője (c) függvényében az alábbiak szerint változik:

Az energiát pedig a teljesítmény idő szerinti integrálásával kapjuk:

A két fenti egyenletet kombinálva

felismerhetjük, hogy a termikus kapacitásnak az m·c szorzat felel meg:

Az 1. táblázat néhány jól ismert anyag fajhőjét és sűrűségét adja meg, amelyeket jól tudunk majd használni a hot-swap rendszer termikus viszonyainak vizsgálatánál.

A termikus kapacitást ezután úgy kapjuk meg, hogy egyszerűen megbecsüljük a különféle alkatrészek fizikai méreteit az általunk modellezett rendszerben. A hőkapacitást ezután az alkatrész térfogatának, sűrűségének és fajhőjének a szorzata adja. Ez teszi lehetővé a 2. ábrán látható konstrukciót.

2.ábra A termikus rendszer hőkapacitásokkal dinamikussá tett villamos modellje

    A modell bal felső sarkában egy áramgenerátort látunk, amelynek forrásárama analóg azzal a hőmennyiséggel, amely a rendszerben keletkezik. Ez az „áram” részben a csip hőkapacitását tölti, másrészt elfolyik annak termikus ellenállásán. A csipből a hő a csip fém hordozóvázába és a tok műanyag részébe áramlik. A fémvázból a hő a tok és a hűtőborda közé helyezett hőcsatolás-javító pasztán (termikus interfészen) keresztül a hűtőbordába, abból pedig a termikus környezetbe jut. A villamos analóg hálózat feszültségei a hőmérséklet-emelkedést mutatják a környezeti hőmérséklethez képest. Az ábrán láthatók a hőellenállások és hőkapacitások durva becslései is. Ez a modell már alkalmas arra, hogy a tartós, egyenletes hőfelszabadulásnak megfelelő DC-modell mellett a tranziens viselkedést is szimulálni tudjuk. Ez segíthet abban, hogy valamennyire elszakadjunk a gyártók által („biztos, ami biztos” alapon) publikált SOA-görbék felesleges óvatosságától.
    A következő alkalommal folytatjuk a hot-swap eszközök áteresztő elemeit érintő vizsgálódásunkat: megállapítunk néhány termikus időállandót az ekvivalens villamos helyettesítő kép felhasználásával.

Referencia

[1] Kollman, R. Teljesítményelektronikai ötletek – 8. A felületszerelt félvezetők hőmérséklet-emelkedésének becslése. Magyar Elektronika, 2011. 10. szám, p. 84.

www.ti.com/power-ca