Механическая конструкция и компоновка сегодня так же важны, как и эффективность топологий, а способы отвода тепла от модулей стали настоящим искусством.
В 1822 году французский врач Жозеф Фурье продемонстрировал, что скорость теплопередачи во времени через материал пропорциональна отрицательному градиенту температуры и площади. (источник: PRBX)

Эффективное управление тепловыми процессами было одной из задач, с которыми я столкнулся в начале 1990-х годов, работая в микроэлектронной компании Micro-Gisco. Я участвовал в разработке 100-ваттного DC/DC-преобразователя в корпусе размером, эквивалентным тому, что сейчас называют четвертью кирпича, для применения, где температура окружающей среды взаимодействовала с температурой перехода. В то время единственной доступной технологией была толстопленочная технология, при которой чипы припаивались к керамической подложке. В таких приложениях единственным способом обеспечить эффективное охлаждение была опорная пластина, соединенная с теплообменником. Важность кондуктивного охлаждения и эффективного управления тепловыми процессами очевидна и остается приоритетной задачей для каждого разработчика силовых микросхем.

В то же время, с развитием мобильной связи, возросший спрос на интегрированные решения в области электропитания способствовал появлению так называемых «кирпичей», и началась гонка за то, чтобы уместить больше мощности в меньших размерах. Увеличение мощности было действительно впечатляющим. Одним из примеров является увеличение плотности мощности так называемого «четвертькирпича». В марте 2000 года подразделение Power Modules компании Ericsson (EPM) выпустило современный 100-ваттный преобразователь постоянного тока в форме четвертькирпича, серию PKM 4000. Двадцать лет спустя компания FLEX Power Module (которая приобрела EPM в 2017 году) выпустила 1300-ваттный четвертькирпич, BMR480 (Рисунок 01).

Увеличение выходной мощности более чем в 10 раз менее чем за 20 лет стало результатом сочетания более эффективных топологий, цифрового управления, новых компонентов, многослойных печатных плат с толстым слоем меди, интегрированного магнетизма и необычных конструктивных решений — но это еще не все! — Для обеспечения полной производительности этих изделий крайне важно эффективное охлаждение.

С учетом закона Фурье
, за последние 20 лет инженеры силовой электроники значительно повысили эффективность своей продукции, и все мы стремимся достичь заветной цифры в 99,99%. Но до тех пор нам необходимо управлять тепловыделением, выделяемым при потерях мощности. DC/DC-преобразователь мощностью 1000 Вт с типичной эффективностью 97% должен рассеивать 31 Вт [Pd = Pout x ((1-Ƞ) / Ƞ)]. Учитывая среднюю температуру окружающей среды в 55 градусов Цельсия в телекоммуникационном или промышленном оборудовании, потребуется эффективное охлаждение, чтобы гарантировать, что внутренняя температура модуля не превысит предел безопасности, указанный производителем, например, +105 градусов Цельсия в заданной точке испытаний.

Формула закона Фурье для теплопроводности (Источник: PRBX)

Как мы все помним из школы, в 1822 году французский врач Жозеф Фурье (рис. 2) продемонстрировал, что скорость теплопередачи через материал пропорциональна отрицательному градиенту температуры и площади. Законы Фурье (рис. 3) теплопроводности регулируют принцип теплообмена на самом нижнем уровне, например, на границе полупроводника и окружающей среды. Тепловое сопротивление является величиной, обратной теплопроводности. Точно так же, как электрическое сопротивление связано с электрической проводимостью, тепловое сопротивление может быть связано с теплопроводностью. Достижение минимально возможного теплового сопротивления является сложной задачей для всех разработчиков силовых устройств, и именно здесь электроника встречается с термодинамикой.

Иллюстрация типичного силового модуля, охлаждаемого радиатором. Подобно тому, как электрическое сопротивление связано с проведением электричества, тепловое сопротивление может быть связано с проведением тепла. (Источник: PRBX)

Технология производства силовых модулей переменного/постоянного тока и постоянного/постоянного тока оптимизирована для рассеивания тепла путем кондуктивного охлаждения от кремния к теплообменной поверхности, такой как алюминиевая опорная пластина. В большинстве распространенных применений радиатор размещается на опорной пластине и охлаждается потоком воздуха, отводя таким образом тепло от модуля (рис. 4). В телекоммуникационных/датакоммуникационных приложениях для общего охлаждения системы обычно используется поток воздуха 400 LFM (2 м/с), циркулирующий внутри стойки, но для некоторых систем с очень высокой удельной мощностью может потребоваться до двух раз больше (800 LFM (4 м/с)), что очень шумно и сокращает срок службы вентиляторов и турбин охлаждения.

Пример теплопроводящей платформы, оптимизированной для кондуктивного охлаждения, со всеми компонентами радиатора, прикрепленными к материнской плате. (Источник: PRBX)

Принудительное воздушное охлаждение — наиболее распространенный метод поддержания температуры в безопасных пределах, хотя существует ряд применений, где эти методы охлаждения нецелесообразны, и растет обеспокоенность по поводу их надежности и экологичности. Как правило, воздух, отводимый из центров обработки данных и другого мощного оборудования, выводится за пределы здания, а это значит, что тепло не преобразуется в полезный ресурс. Кроме того, большинство центров обработки данных, требующих систем кондиционирования воздуха, потребляют значительное количество энергии, что является серьезной проблемой.

Когда принудительное воздушное охлаждение невозможно:
Существует ряд применений, где использование активной вентиляции невозможно или даже запрещено. В суровых условиях или в тех случаях, когда требуемый уровень надежности требует устранения всех потенциальных рисков отказа, использование вентиляторов и вытяжных систем не допускается. Вот несколько примеров.
Промышленное оборудование, такое как оборудование для лазерной резки, которое генерирует частицы сгоревшей пыли, дым и пар, имеет герметичные блоки управления и мониторинга для предотвращения загрязнения и риска повреждения в результате процесса резки. Для питания системы управления блок питания заключен в герметичный корпус, что требует либо отвода тепла, рассеиваемого теплопроводностью, от шасси, либо его крепления к холодной стене. Для обеспечения максимально эффективного охлаждения блок питания имеет большую опорную плиту, к которой крепятся все теплоотводящие компоненты (Рисунок 05).

В ресурсоемких приложениях для улучшения отвода тепла к материнской плате блока питания можно добавить элемент жидкостного охлаждения (Credit: PRBX/SUNON)

Некоторое оборудование, например лазер или плазменный резак, требует жидкостного охлаждения для охлаждения важных компонентов во время работы. В таких случаях система электропитания выигрывает от циркуляции жидкости и опорной пластины, прикрепленной к охлаждающему элементу (рис. 6).
Промышленное оборудование для видеонаблюдения и безопасности может устанавливаться в удаленных местах, где часто встречаются экстремальные погодные условия и где техническое обслуживание может быть затруднено. В таких установках надежность имеет первостепенное значение, и разработчики систем должны исключить все потенциальные причины отказов. Несмотря на значительные улучшения качества, вентиляторы и вытяжные вентиляторы подвержены механическим поломкам и непригодны для таких применений. Опять же, как и в предыдущем примере, охлаждение может быть достигнуто только за счет теплопроводности наружу герметичного корпуса и пассивного теплообменника.

Когда тишина — золото:
также растет спрос на оборудование, устанавливаемое в диспетчерских или даже офисах, которое для комфорта и здоровья сотрудников просто не производит шума или значительно его ограничивает.
Примером могут служить офисы открытой планировки, где в некоторых случаях уровень шума может достигать 60–65 децибел. Это может показаться низким по сравнению, например, с оживленной дорогой, которая генерирует 85 децибел, но это может препятствовать выполнению когнитивно сложной работы, что, в свою очередь, сказывается на здоровье и безопасности. Фактически, ряд компаний теперь требуют, чтобы уровень шума в офисах открытой планировки был ниже 55 децибел, и чтобы соблюдались местные правила.
В таких ситуациях уровень шума от оборудования, установленного в помещении, от компьютеров до больших экранов, таких как те, что используются в диспетчерских пунктах управления воздушным движением или дорожных управлениях, должен быть снижен до минимально возможного уровня, а шумное принудительное воздушное охлаждение запрещено. В таких условиях источник питания должен быть спроектирован для работы без вентиляции, используя систему охлаждения.

В заключение:
проектирование источников питания с кондуктивным охлаждением требует от разработчиков совершенно иного подхода по сравнению с проектированием источников питания, которые выигрывают от высокого воздушного потока и интенсивного охлаждения. Источники питания с кондуктивным охлаждением ранее считались второстепенным сегментом, хотя новые экологические нормы вскоре могут потребовать от ряда приложений с принудительным воздушным охлаждением перехода на более экологичные решения с кондуктивным охлаждением.

Источники:
Powerbox (PRBX): https://www.prbx.com/

Аналитическая теория теплоты М. Фурье — 1822 г. https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k1045508v.texteImage#

Модули питания FLEX: https://flexpowermodules.com/

Для получения дополнительной информации
посетите сайт www.prbx.com.
Свяжитесь с Патриком Ле Февром, директором по маркетингу и коммуникациям,
по телефону +46 (0)158 703 00.