Teljesítményelektronikai ötletek – 28

Folytatjuk az előző számunkban megkezdett gondolatmenetet, amely egy redundáns tápellátó egység „hot swap” funkcionalitását (működés közbeni cserélhetőségét) megvalósító MOSFET-kapcsoló egyszerű termikus tranziensanalízisét tűzte ki célul.

Egy „hot swap” MOSFET tranziens melegedésvizsgálata – 2. rész

Ebben a cikkben befejezzük annak az egyszerű módszernek az áttekintését, amelytől arra vonatkozó becslést várunk, mennyivel emelkedik meg egy „hot swap” MOSFET hőmérséklete. Előző folytatásunkban kidolgoztuk egy olyan elektromos hálózat kapcsolási rajzát, amelyet a hőmérséklet-emelkedési probléma megoldására használhatunk az elektromos és termikus rendszer számításmódja közt felfedezhető analógia alapján. A hőforrást egy áramgenerátorral modelleztük. A hőellenállást és hőkapacitást a rendszer alkotóelemeinek fizikai tulajdonságaiból határoztuk meg. A hálózatban mérhető feszültségek reprezenálják a hőmérsékleteket.
    Ebben a folytatásban összehasonlítjuk az 1. ábrán látható modell tranziens viselkedését a 3. ábrán bemutatott, a gyártó cég által publikált SOA – (Safe Operating Area – biztonságos működési zóna) – diagramokkal. 
    Az 1. ábra számszerű értékeit a CSD17312Q5 MOSFET, a fém rögzítőkeret és a NyÁK-lap fizikai jellemzőiből vettük. Néhány jellegzetes pontot jelölhetünk meg a modellben. A NyÁK-lap és a környezet közötti hőellenállás (105 °C/W) a környezet felé vezető, legkisebb hőellenállású útvonal, ezért ez a leginkább meghatározó érték az áramkör megengedhető, állandósult disszipált teljesítménye szempontjából. Ha a hőmérséklet-emelkedést 100 °C-ban maximáljuk, a megengedhető állandósult disszipáció 1 W. A NyÁK-lapnak ezenkívül van egy 10 s-os időállandója, ezért a kártya teljes felmelegedése jelentős időt vesz igénybe. Ebből az következik, hogy az áramkör aránylag nagy teljesítménylökéseket is el tud viselni. Másképpen szólva, egy rövid impulzus formájában megjelenő hőenergia-változás elsősorban a csip hőkapacitását tölti, és csak kisebb arányban jut hő a fém hordozóváz termikus kapacitásának tölté­sére. Tehetünk egy becslést arra, mennyi energia tárolódik a csip hőkapaci­tásában annak feltételezésével, hogy minden energia a csip hő­kapa­citásában tárolódik. Ezzel a feltevéssel megoldhatjuk a dV = I . dt / C egyenletet I-re. Ez azt eredményezi, hogy I = dV.C/dt = 100°C . 0,013F/1ms = 1300W összhangban van a 3. ábrán látható SOA-diagrammal.

1.ábra A hőkapacitásokkal kiegészített termikus rendszer villamos analóg modellje

A 2. ábrán az 1. ábrán bemutatott hálózat szimulációjának eredménye látható, amely ezúttal a hőmérséklettel analóg feszültség időfüggvényét ábrázolja. Ez 80 W disszipációt tételez fel, és közvetlenül láthatók rajta a különböző időállandók. A zöld görbe a csip­hőmérsékletet ábrázolja, amely a NyÁK-hőmérséklethez képest aránylag gyorsan állandósul. Azt is láthatjuk, hogy létezik egy második időállandó is, amely a fém hordozókeretnek tulajdonítható, ezért enyhe késéssel követi a csiphőmérsékletet. Végül egy csaknem lineáris időfüggvényű töltődést láthatunk a NyÁK hőmérsékletének időfüggvényében, mivel annál a hőenergia legnagyobb része a hőka­pacitás töltésére fordítódik.

2.ábra Három időállandó hatása észlelhető a csiptől a NyÁK-lapig vezető hőenergia-áramlásban

Egész sorozatnyi szimulációt végeztünk annak érdekében, hogy ellenőrizzük a modell pontosságát. Az eredmények a 3. ábrán láthatók. Ezen a piros jelzések mutatják az egyes szimulációk eredmé­nyeit. A termikus modellre állandó teljesítményt (áramot) adtunk, és a csiphőmérséklet emelkedését alkalmas időközönként regisztráltuk. A modell eszerint megfelelő egyezést mutat a bemutatott SOA-görbékkel. Ez azért nagyon fontos, mert eszerint ezt a modellt bátran használhatjuk, ha a hűtőborda vagy a NyÁK paramétereinek megváltoztatásának hatásait kívánjuk meghatározni. Például a SOA adatai olyan esetre vonatkoznak, amelyben minimális méretű a hűtő NyÁK-felület, amelynek tehát nem elégséges a hűtőképessége. Ilyen esetben növelhetjük a NyÁK-felületet annak érdekében, hogy csökkenjen a környezeti vezető termikus ellenállás, de növelhetjük a hő­forrás alá tervezett réz térfogatát (a felületét és/vagy a vastagságát) is a hőenergia jobb szétterítése érdekében. Mindezek következtében csökkennek az elrendezés jellemző hőmérsékletei. A megnövelt réztérfogat egyben a hőkapacitást is növeli.    

3.ábra A termikus modell eredményei a jelzett pontokban összhangban vannak a CSD17312 MOSFET SOA-görbéjének adataival

Következő folytatásunkban egyszerű, szigetelt előfeszültséget előállító tápegység áramkörét mutatjuk be.

www.ti.com/power-ca