SCR-moduulin ja jäähdytyselementin valinta: tarvitaan lämpötekniset todisteet

Tässä oppaassa esitetään tiedot, jotka on hankittava ennen kuin tyristorimoduulille valitaan jäähdytyselementti. Oppaassa keskitytään syöttötietoihin, laskelmien rajoihin ja tarkistukseen, eikä siinä anneta lämpövastusarvoa tuntemattomalle piirille. Tarkka SCR-tilauskoodi ja sovelluksen aaltomuodot ovat edelleen olennaisia.

Aloita sovelluksen aaltomuodosta

Kirjaa piirin rakenne ja kunkin tyristorin tehtävä: ohjattu tasasuuntaus, vaihtovirran säätö, pehmeä käynnistys tai jokin muu tehtävä. Merkitse muistiin, sisältääkö moduuli yhden laitteen, kaksoiskokoonpanon vai jonkin muun sisäisen kytkennän. Sama nimellivirta voi tarkoittaa hyvin erilaista johtamisaikaa, pulssin muotoa ja lämmöntuottoa eri piireissä.

Ilmoita valmistajan häviömalliin liittyvät RMS- ja keskimääräiset virta-arvot sekä johtokulma, toistotaajuus, käyttöaste ja ylikuormitustapahtumat. Liitä mukaan virran aaltomuoto tai validoitu simulointi, mikäli mahdollista. Älä ota siniaallon datalehden testipistettä ja pidä sitä yleispätevänä häviöarvona katkaistussa tai voimakkaasti pulsoivassa sovelluksessa.

Määritä pahin jatkuva kuormitus ja merkittävät hetkelliset kuormitusvaihtelut erikseen. Käynnistys, käynnistysvirta ja lyhytaikaiset ylikuormitukset saattavat edellyttää hetkellisen lämpöimpedanssin tarkastelua, kun taas jatkuva käyttö vaatii vakaatilan analyysin. Jäähdytyselementin lämpömassa ei oikeuta toistuvien pulssien huomiotta jättämistä; toistuminen voi estää järjestelmää palaamasta alkuperäiseen lämpötilaansa.

Laske tappio tarkka-mallin tietojen perusteella

Pyydä kyseisen mallin tarkat jännite- tai häviöparametrit johtotilassa sekä valmistajan suosittelema laskentamenetelmä. Jos moduulissa on useita komponentteja, seuraa kunkin johtavan elementin häviötä sekä yhteiseen pohjalevyyn siirtyvän lämmön kokonaismäärää. Tehohäviö on lämpöanalyysin syöttötieto; se ei ole sama asia kuin laitteen lähtöteho tai nimelliskuormitus.

Tarkista, sisältääkö tuotetiedote käyrät tietyillä liitoskohdan lämpötiloilla ja virtaolosuhteilla. Jos toimittaja ilmoittaa vain yhden “tyypillisen” arvon, kysy, mitkä olosuhteet ovat kyseessä ja onko saatavilla enimmäis- tai suunnitteluarvoa. Kirjaa epävarmuusarvo sen sijaan, että esittäisit tarkkaa jäähdytyselementin lämpötilaa vahvistamattomista tyypillisistä tiedoista.

Tasasuuntaajan tai vaiheohjausjärjestelmän osalta on selvitettävä sekä virran kulkureitti että laitteiden osuus virrasta ajan kuluessa. Kaksikanavainen SCR-moduuli ei välttämättä jaa häviöitä tasaisesti, jos ohjausmenetelmä tai piirin toiminta on epäsymmetristä. Lämpömallin tulisi heijastaa todellisia virtaa johtavia laitteita ja tarvittaessa useiden lämmönlähteiden läheisyyttä samassa jäähdytyselementissä.

Lue koko lämpöpolku

Yksinkertaistettu vakiotilan lämpöpolku kulkee liitoksesta koteloon, kotelosta lämpöliitosaineen kautta jäähdytyselementtiin ja jäähdytyselementistä ympäristön lämpötilaan. Jokainen vaihe aiheuttaa lämpötilan nousua kyseisen lämmönvirtauksen ollessa voimassa. Infineonin moduulien asennusohjeissa korostetaan, että lämpöliitosaine, käyttötarkoitus ja geometria vaikuttavat lämmönjohtumiseen moduulin ja jäähdytyselementin välillä. Mikään luettelossa oleva jäähdytyselementtimalli ei voi kompensoida huonosti hallittua kosketuspintaa.

Selvitä kyseisen moduulin tarkat lämpövastus- tai transientti-impedanssitiedot ja perehdy mittauksen vertailupisteisiin. “Liitoskohta–kotelo”-arvoa ei voida automaattisesti verrata eri sisäisten kokoonpanojen tai testauskäytäntöjen välillä. Lämmönsiirtimen toimittajan ilmoittamaan lämpövastusarvoon liittyy myös ehtoja: ilmanvirtaus, suunta, pohjapinta-ala ja tietty lämmönlähteen sijoittelu voidaan olettaa.

Tarkista, missä laitteen ympäristön viitelämpötila mitataan. Ilma SCR-pankin lähellä tai ahtaassa kaapissa voi olla kuumempaa kuin huoneilma. Tuulettimen vapaailman nimellisarvo ei vastaa jäähdytysripoista kulkevaa ilmavirtaa, kun suodattimet, suojukset ja lähellä olevat komponentit on asennettu. Suunnittelutarkastelussa on käytettävä paikallisia imuilman olosuhteita eikä suotuisimpia laboratorio-olosuhteita.

Liitä mukaan käyttöohje ja asennusohjeet

Lämmönjohtava tahna, aluslevy tai tehtaalla levitetty rajapintamateriaali on osa suunniteltua lämmönjohtoreittiä. Kirjaa muistiin, mikä rajapintamateriaali on sallittu kyseiselle moduulille, vaadittu pinnan tasaisuus ja puhtaus sekä valmistajan ohjeet asennus- ja kiinnitysjärjestyksestä. Lämmönjohtavan tahnan vaihto tai asennuspaineen muutos voi muuttaa kosketusvastusta, vaikka sähkömoduuli ja jäähdytyselementti pysyisivätkin ennallaan.

Kysy tarkat kiinnitysmomentit, kiinnityskohdat, sähköiset etäisyydet sekä mahdolliset uudelleenkiristys- tai sisäänajohjeet. Nämä tiedot tulisi saada moduulin voimassa olevasta asennusoppaasta, ei yleisestä momenttitaulukosta. Infineonin tehomoduulien dokumentaatiossa kiinnitys käsitellään nimenomaisesti lämpösuorituskykyyn ja luotettavuuteen liittyvänä seikkana; RITOKS-tuotteiden osalta tarvitaan kunkin mallin tarkat ohjeet ennen asennuksen hyväksymistä.

Harkitse, käyttävätkö useat moduulit yhteistä jäähdytyselementtiä. Mekaaniset häiriöt, lämmön leviäminen, sähköeristys ja ilmavirran estyminen voivat vaikuttaa suorituskykyyn. Jos jäähdytyselementti on kytketty sähköisesti osaan piiristä moduulin pohjan kautta, suunnittelussa on otettava huomioon vaaditut eristys- ja turvavälit sen sijaan, että jäähdytyselementtiä pidettäisiin vaarattomana metalliosana.

Vertaa luonnollista ja pakotettua konvektiota asennetun geometrian osalta

Luonnollinen konvektio riippuu suuresti lamellien suunnasta, niiden välisestä etäisyydestä ja esteettömästä nousevasta ilmasta. Pakotettu konvektio riippuu lämmönvaihtimen läpi johdetusta ilmavirrasta, ei pelkästään puhaltimen tuottamasta vapaasta ilmavirrasta. Valinta vaikuttaa myös melu-, pöly-, suodatin- ja huoltovaatimuksiin. Selvitä, pystyykö kotelo ylläpitämään suunniteltua ilmavirtaa koko käyttöikänsä ajan.

Pyydä jäähdytyselementin suorituskykykäyrä tai testattu lämpövastus olosuhteissa, jotka vastaavat asennustilannetta. Jos tiedoissa on käytetty erilaista lämmönlähteen pinta-alaa, kysy jäähdytyselementin toimittajalta, miten arvoa tulisi korjata tai miten se tulisi testata. Infineonin jäähdytyselementtien valintaohjeissa korostetaan, että optimointi on iteratiivinen prosessi ja että julkaistut lämpövastusarvot riippuvat siitä, miten ne on mitattu.

Jäähdytysvaralla tulisi olla perustelut, jotka perustuvat laskettuun epävarmuuteen, ympäristön ääriolosuhteisiin ja huolto-oletuksiin. Jäähdytyselementin ylimitoittaminen ilman rajapintojen ja ilmavirtauksen tarkistamista voi johtaa siihen, että todellista pullonkaulaa ei havaita. Toisaalta pieni jäähdytyselementti voi olla uskottava ratkaisu jaksottaisessa käytössä vain, jos transienttilämpömalli ja toistuvuus on dokumentoitu.

Käytä lämpötietotaulukkoa, älä pelkästään virta-arvojen vertailua

Kaikki syöttötiedot on liitettävä piirustuksen versioon ja tilauskoodiin. Muutos SCR-topologiassa, moduulin kotelossa, ilmavirrassa tai ohjausaaltomuodossa voi mitätöidä alkuperäisen lämpölaskelman. Hankintayksikkö ei saa korvata moduuleja “vastaavilla” moduuleilla pelkästään virta- ja jännitemerkintöjen perusteella, jos lämmönsiirtoreitti on erilainen.

Varmista mittaamalla edustavalla kuormituksella

Laskelmilla seulotaan ehdokkaat; asennetut testit vahvistavat mallin oikeellisuuden. Määritä toimintasykli, kotelon olosuhteet ja mittauspisteet ennen testiä. Kotelon tai lämpönielun lämpötilalukema on merkityksellinen vain, jos sen sijainti vastaa laskelman viitekohtaa. Jos suoraa liitoskohdan mittausta ei ole käytettävissä, käytä valmistajan hyväksymää menetelmää liitoskohdan lämpötilan päättelemiseksi mitatuista arvoista ja häviöistä.

Tarkista jatkuva suurkuormitustila sekä kaikki merkittävät tilapäiset tai toistuvat tilat. Kirjaa muistiin tuulettimen kierrosnopeus, suodattimen kunto, ympäristön lämpötila sekä läheiset lämmönlähteet. Jos mitattu lämpötila poikkeaa ennusteesta, tutki häviöoletuksia, rajapintasovellusta, ilmavirtausta ja anturin sijaintia. Älä yritä peitellä poikkeamaa säätämällä yhtä oletettua vastusta ilman todisteita.

Sisällytä tuotannon kokoonpanon valvontatoimenpiteet. Insinöörin huolellisesti kokoama prototyyppi voi toimia eri tavalla kuin sarjatuotantoversio, jos liimakerroksen paksuus tai kiinnitysjärjestys vaihtelee. Määritä tuotantotiloissa käytännölliset tarkastuskohdat ja tallenna vahvistettu kokoonpanoprosessi tuotetietoihin.

Mitä tietoja on toimitettava SCR-moduulia koskevan tiedustelun yhteydessä

Lähetä piirirakenne, aaltomuoto ja käyttöaste, vaadittu estojännite, mahdolliset ylikuormitustilanteet, käytettävissä oleva jäähdytyselementin tilavuus, ympäristön lämpötila- ja ilmavirtausolosuhteet, kiinnitystapa sekä vaadittu dokumentaatio. Pyydä tarkat tiedot moduulin häviöistä ja lämpöominaisuuksista, tekninen piirros, liitäntäohjeet ja asennusohjeet. SCR-/tyristorimoduulien luokka auttaa tunnistamaan tuoteryhmät; valinta riippuu edelleen mallista.

Taustatietojen saamiseksi tutustu MTA-kaksois-SCR-tuoteperhe, MTC SCR -tuoteperhe tai MTC-suurvirtatuoteperhe tarvittaessa. Näitä sivuja ei tule pitää nykyisten vahinkokäyrien tai asennusohjeiden korvikkeina. Kysy RITOKS tietyn asiakirjakokonaisuuden osalta ennen tilauskoodin lukitsemista.

Usein kysyttyjä kysymyksiä

Voidaanko jäähdytyselementti valita SCR:n nimellisvirran perusteella?

Ei. Nimellisvirta on vain yksi laitteen kuvaustekijä. Lämpövaatimukset määräytyvät todellisen aaltomuodon, häviöiden, ympäristön olosuhteiden, liitäntäratkaisun ja jäähdytysjärjestelyn perusteella.

Takaako tuulettimen lisääminen suuremman katteen?

Vain jos asennustilanteessa kyseisille jäähdytysripoille pääsee riittävä ilmavirta. Tarkista suodattimet, mahdolliset tukokset, puhaltimen toimintatila ja jäähdytyselementin suorituskykyarvot.

Mikä on lopullisen hyväksynnän todiste?

Mallikohtainen laskelma, valvottu asennusmenetelmä ja edustava lämpötilatesti muodostavat yhdessä perustellun päätöksen. Mikään yksittäinen asiakirja ei riitä todistamaan kaikkia kolmea seikkaa.

Yhteenvetona

Määritä ensin sähköhäviö, jäljitä sitten koko lämpöpolku ja tarkista asennettu kokoonpano. SCR-moduulin ja jäähdytyselementin yhdistelmä on järjestelmätason päätös. Jätä ratkaisemattomat mallikohtaiset lämpötiedot näkyviin tarjouspyyntöön sen sijaan, että täytät sen luettelon oletuksilla. Lopullisessa piirustuksessa tulisi yksilöidä valittu moduuli, jäähdytyselementti, liitosmateriaali, ilmavirran suunta ja validoidut testausolosuhteet yhtenä hallittuna kokoonpanona.

Lähteet

• Infineon, 34 mm and 50 mm Solder Bond Modules — Use and Installation Manual (AN2018-07).
• Infineon: ohjeet lämpöjärjestelmän suunnitteluun ja jäähdytyselementin valintaan (yleiset jäähdytyselementtien toimintaperiaatteet; ei RITOKS SCR -tuotteen teknisiä tietoja).
• Semikron Danfoss, Sovellusopas: Tehopuolijohteet.