Psi vs. Theta
05.02.2019
Dieses Whitepaper beschreibt die maximale Betriebstemperatur für einen bestimmten DC/DC Wandler und erklärt den Unterschied zwischen der thermischen Impdedanz (Theta) und der thermischen Charakterisierungszahl (Psi).
Einführung
Eine Frage, die dem technischen Support von RECOM oft gestellt wird, lautet: „Was ist die maximale Betriebstemperatur?“ für einen bestimmten DCDC Wandler. Obwohl es mehrere Möglichkeiten gibt, dies zu bestimmen, ist es immer noch nicht einfach, diese Frage genau zu beantworten. Das liegt nicht daran, dass wir nicht wissen, wie wir unsere Produkte charakterisieren können, sondern daran, dass die endgültige Antwort von vielen verschiedenen Faktoren abhängt, von denen viele mit dem Umrichter selbst nichts zu tun haben.
Alle im Betrieb befindlichen Stromrichter erzeugen Wärme (verursacht durch die interne Verlustleistung), die aus dem Gehäuse an die Umgebung abgegeben werden muss, damit der Stromrichter nicht überhitzt. Typische „Hot-Spot“-Wärmequellen sind die Leistungshalbleiter wie Transistoren und Dioden, die Sperrschichtverluste aufweisen, induktive Komponenten wie Transformatoren und Induktoren, die sowohl DC- als auch AC-Verluste aufweisen, und Leistungswiderstände, die in Beschaltungen und Filtern mit I²R-Verlusten verwendet werden. Der Entwickler muss diese Verluste minimieren, um den Wirkungsgrad des Stromrichters zu maximieren, aber sie sind unvermeidbar.
Die Art und Weise, wie die interne Wärme aus einer heißen Sperrschicht innerhalb eines Halbleitergehäuses entweicht, hängt ebenfalls von vielen Faktoren ab. Der kürzeste „Weg des geringsten Widerstands“ führt typischerweise von der Sperrschicht zur Oberseite des Gehäuses. Von dort kann die Wärmeenergie entweder durch Konvektion, Leitung oder Strahlung an die Umgebung entweichen. Darüber hinaus kann es auch Wärmeleitungspfade zur Umgebung über eine Grundplatte mit Kühlkörpern oder Gap-Pads zum Gehäuse, über die Befestigungsstifte zur Leiterplatte selbst oder zu den Seiten- oder Bodenflächen des Gehäuses geben.
Je nach Aufbau können sich sogar die Ergebnisse von thermischen Messungen erheblich unterscheiden. Was ist z. B. die Kühlung durch „freie Luftkonvektion“? Ist der kühlende Luftstrom vollständig und ungehindert? Oder kann es zu einem lokalen Wärmestau kommen, verursacht durch eng positionierte Komponenten, benachbarte Platinen, die den Luftstrom blockieren, oder schlecht belüftetes Gehäuse? Werden die thermischen Messungen außerdem mit „stiller Luft“ mit null LFM oder mit freier Luftbewegung (20 LFM) oder mit forcierter Luftkühlung (100 LFM) durchgeführt?
Bei platinenmontierten Umrichtern können noch weitere Aspekte eine Rolle spielen, z. B. ob die Platine horizontal oder vertikal montiert ist, ob die Platine aus Glasfaser (FR4) besteht oder ein anderes Substrat verwendet oder welche Kupferstärke für die Leiterbahnen verwendet wird. All diese Faktoren können die thermische Leistung der auf der Platine montierten Teile beeinflussen.
Alle im Betrieb befindlichen Stromrichter erzeugen Wärme (verursacht durch die interne Verlustleistung), die aus dem Gehäuse an die Umgebung abgegeben werden muss, damit der Stromrichter nicht überhitzt. Typische „Hot-Spot“-Wärmequellen sind die Leistungshalbleiter wie Transistoren und Dioden, die Sperrschichtverluste aufweisen, induktive Komponenten wie Transformatoren und Induktoren, die sowohl DC- als auch AC-Verluste aufweisen, und Leistungswiderstände, die in Beschaltungen und Filtern mit I²R-Verlusten verwendet werden. Der Entwickler muss diese Verluste minimieren, um den Wirkungsgrad des Stromrichters zu maximieren, aber sie sind unvermeidbar.
Die Art und Weise, wie die interne Wärme aus einer heißen Sperrschicht innerhalb eines Halbleitergehäuses entweicht, hängt ebenfalls von vielen Faktoren ab. Der kürzeste „Weg des geringsten Widerstands“ führt typischerweise von der Sperrschicht zur Oberseite des Gehäuses. Von dort kann die Wärmeenergie entweder durch Konvektion, Leitung oder Strahlung an die Umgebung entweichen. Darüber hinaus kann es auch Wärmeleitungspfade zur Umgebung über eine Grundplatte mit Kühlkörpern oder Gap-Pads zum Gehäuse, über die Befestigungsstifte zur Leiterplatte selbst oder zu den Seiten- oder Bodenflächen des Gehäuses geben.
Je nach Aufbau können sich sogar die Ergebnisse von thermischen Messungen erheblich unterscheiden. Was ist z. B. die Kühlung durch „freie Luftkonvektion“? Ist der kühlende Luftstrom vollständig und ungehindert? Oder kann es zu einem lokalen Wärmestau kommen, verursacht durch eng positionierte Komponenten, benachbarte Platinen, die den Luftstrom blockieren, oder schlecht belüftetes Gehäuse? Werden die thermischen Messungen außerdem mit „stiller Luft“ mit null LFM oder mit freier Luftbewegung (20 LFM) oder mit forcierter Luftkühlung (100 LFM) durchgeführt?
Bei platinenmontierten Umrichtern können noch weitere Aspekte eine Rolle spielen, z. B. ob die Platine horizontal oder vertikal montiert ist, ob die Platine aus Glasfaser (FR4) besteht oder ein anderes Substrat verwendet oder welche Kupferstärke für die Leiterbahnen verwendet wird. All diese Faktoren können die thermische Leistung der auf der Platine montierten Teile beeinflussen.
2. Thermische Impedanz, Ɵ
Der klassische Weg zur Berechnung der maximalen Betriebstemperatur ist die Verwendung des Wertes der thermischen Impedanz (Theta oder das Ɵ Symbol). Dieser Wert definiert im Wesentlichen den Weg des geringsten Widerstandes, den die von einer heißen Stelle, z. B. der Sperrschicht eines Schalttransistors, erzeugte Wärme durch Wärmeleitung durch den Wandler hindurch zurücklegt und dann von der Oberseite weg an die Umgebung konvektiert.
Diagrammatisch kann er als eine Reihe der thermischen Impedanzen dargestellt werden: ƟJP zwischen der Sperrschicht und dem Transistorgehäuse; ƟPM zwischen dem Gehäuse und dem Vergussmaterial; ƟMCCA
Diagrammatisch kann er als eine Reihe der thermischen Impedanzen dargestellt werden: ƟJP zwischen der Sperrschicht und dem Transistorgehäuse; ƟPM zwischen dem Gehäuse und dem Vergussmaterial; ƟMCCA
Abb. 1: Modell der thermischen Impedanz des Theta-Übergangs in die Umgebung
Theoretisch wäre es möglich, all diese verschiedenen Theta-Werte herauszufinden oder abzuschätzen, indem man die Spezifikationen der verschiedenen im Bauteil verwendeten Materialien studiert; in der Praxis ist es jedoch einfacher, den im Datenblatt des Herstellers angegebene Gesamtwert der thermischen Impedanz zu verwenden, um die maximale Betriebsumgebungstemperatur zu berechnen.
Schritt 1: Berechnen Sie die interne Verlustleistung, Pdiss:
Dabei ist ƞ der Wirkungsgrad des Umrichters (verwenden Sie die im Datenblatt angegebene Zahl oder, noch besser, verwenden Sie das Wirkungsgrad/Last-Diagramm, um den Betriebswirkungsgrad bei der verwendeten Last zu ermitteln).
Schritt 2: Berechnen Sie die Gehäuseübertemperatur, Tover
Dabei ist Rth der im Datenblatt angegebene Gesamtwert der thermischen Impedanz (in Kelvin pro Watt)
Schritt 3: Berechnen Sie die maximale Betriebsumgebungstemperatur:
Wobei Tcase,max die im Datenblatt angegebene maximale Gehäuse- (oder Grundplatten-) Temperatur ist.
Zum Beispiel aus dem Datenblatt des RBBA3000-50: Nehmen Sie den RBBA3000-50 mit 48V Eingangsspannung, 24V Ausgangsspannung, 50A Ausgangsstrom:
Wie hoch ist die maximale Betriebsumgebungstemperatur?
Schritt 1: Berechnen Sie die interne Verlustleistung, Pdiss:
Dabei ist ƞ der Wirkungsgrad des Umrichters (verwenden Sie die im Datenblatt angegebene Zahl oder, noch besser, verwenden Sie das Wirkungsgrad/Last-Diagramm, um den Betriebswirkungsgrad bei der verwendeten Last zu ermitteln).
Schritt 2: Berechnen Sie die Gehäuseübertemperatur, Tover
Dabei ist Rth der im Datenblatt angegebene Gesamtwert der thermischen Impedanz (in Kelvin pro Watt)
Schritt 3: Berechnen Sie die maximale Betriebsumgebungstemperatur:
Wobei Tcase,max die im Datenblatt angegebene maximale Gehäuse- (oder Grundplatten-) Temperatur ist.
Zum Beispiel aus dem Datenblatt des RBBA3000-50: Nehmen Sie den RBBA3000-50 mit 48V Eingangsspannung, 24V Ausgangsspannung, 50A Ausgangsstrom:
Wie hoch ist die maximale Betriebsumgebungstemperatur?
3. Thermische Charakterisierungszahl, ψ
Die thermische Charakterisierungszahl (Psi oder das Symbol ψ) trägt der Tatsache Rechnung, dass die thermische Impedanz des Weges des geringsten Widerstandes nicht wirklich repräsentativ für die tatsächliche Leistung vieler Komponenten ist. Dies liegt daran, dass es in der Regel mehrere Wege gibt, über die Wärme von einem Hot-Spot abgeführt werden kann - nicht zuletzt über die Pins. In einigen Wandlerdesigns können bis zu 30 % der internen Wärme über die Pins abgeführt und anschließend über die Leiterbahnen und Kupferebenen an die Umgebung abgegeben werden.
Daher sind Umrichter in 3DPP®-Bauweise so konstruiert, dass der Großteil der Wärme über die Kupferpads an der Unterseite des Umrichters abgeleitet wird.
Daher sind Umrichter in 3DPP®-Bauweise so konstruiert, dass der Großteil der Wärme über die Kupferpads an der Unterseite des Umrichters abgeleitet wird.
Abb. 2: Mehrfach-Wärmepfadmodell der Psi-Thermal-Charakterisierung
Im Allgemeinen ist ψJA niedriger als ƟJA, kann aber je nach thermischer Auslegung ...
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