Technologie PCB - Analyse de la conception thermique des alimentations à découpage à carte haute fréquence

1. Introduction les produits électroniques ont généralement des exigences strictes pour la température de fonctionnement. Une augmentation excessive de la température interne du dispositif d'alimentation peut entraîner la défaillance de composants tels que les dispositifs semi - conducteurs sensibles à la température, les condensateurs électrolytiques et autres. Lorsque la température dépasse une certaine valeur, le taux de défaillance augmente exponentiellement. Les statistiques montrent que pour chaque augmentation de 2°C de la température des composants électroniques, la fiabilité des composants électroniques diminue de 10%; La durée de vie à une augmentation de température de 50 ° c est seulement 1 / 6 de celle à une augmentation de température de 25 ° c. Ainsi, l'électronique répondra aux exigences de contrôle de la montée en température de l'ensemble du châssis et des composants internes. C'est la conception thermique de l'électronique. Pour les alimentations à découpage à plaques haute fréquence avec des dispositifs de chauffage haute puissance, la température est le facteur le plus important qui affecte leur fiabilité. Par conséquent, il existe des exigences strictes pour la conception thermique globale. La conception thermique complète comprend deux aspects: comment contrôler la chaleur produite par la source de chaleur; Comment dissiper la chaleur produite par la source de chaleur. L'objectif final est de savoir comment contrôler la température de l'électronique dans les limites permises après avoir atteint l'équilibre thermique.

2. Les principaux éléments chauffants dans l'alimentation à découpage de conception de contrôle de chauffage sont des tubes de commutation à semi - conducteur (tels que MOSFET, IGBT, GTR, SCR, etc.), des diodes de haute puissance (telles que diodes de récupération ultra - rapide, diodes Schottky, etc.), des transformateurs haute fréquence, des éléments magnétiques tels que des inductances de filtrage et des charges fictives, etc. les méthodes de contrôle de la chaleur varient pour chaque élément chauffant. 2.1 Les tubes de commutation de chaleur qui réduisent les interrupteurs d'alimentation sont l'un des éléments qui génèrent plus de chaleur dans l'alimentation à découpage haute fréquence. Réduire sa chaleur peut non seulement améliorer la fiabilité du tube de commutation lui - même, mais aussi réduire la température de la machine entière, améliorer l'efficacité de la machine entière et le temps moyen sans problème. (MTBF). Le tube interrupteur, en fonctionnement normal, est dans les deux états conducteur et bloqué, les pertes générées pouvant être subdivisées en pertes dues aux deux états critiques et pertes dues à l'état conducteur. Dans lequel les pertes de conduction sont déterminées par la résistance de conduction du tube de commutation lui - même. Cette perte peut être réduite en choisissant un tube interrupteur à faible résistance de conduction. Le MOSFET a une résistance à la conduction supérieure à celle de l'IGBT, mais il fonctionne à une fréquence plus élevée, il reste donc le dispositif de choix pour la conception d'alimentation à découpage. Maintenant, les MOSFETs de puissance de la nouvelle série irl3713 hexfet (hexagonal Field Effect Transistor) d'IR ont atteint une résistance d'îlot de 3 m, ce qui permet à ces dispositifs de réduire les pertes en conduction, les charges de grille et les pertes de commutation. APT Corporation of America a un produit similaire. Il est également possible de réduire les pertes dans les deux états critiques de la conduction et de la fermeture en choisissant des dispositifs qui commutent plus rapidement et qui ont des temps de récupération plus courts. Mais il est plus important de réduire les pertes en concevant de meilleures méthodes de contrôle et des techniques d'amortissement. Cette méthode peut présenter des avantages lorsque la fréquence de commutation est élevée. Par example, diverses techniques de commutation douce permettent de rendre le tube de commutation conducteur ou bloqué à tension nulle et à courant nul, ce qui réduit considérablement les pertes dues à ces deux états. Cependant, du point de vue des coûts, certains fabricants utilisent encore la technologie de commutation dure, qui leur permet de réduire les pertes et d'améliorer la fiabilité des tubes de commutation grâce à divers types de technologie tampon. 2.2 réduction de la production de chaleur par les diodes de puissance dans les alimentations à commutation haute fréquence, il existe de nombreuses applications pour les diodes de puissance et le type choisi est différent. Pour les diodes de puissance qui redressent le courant alternatif d'entrée 50 Hz en courant continu et les diodes de récupération rapide dans les circuits tampons, dans des conditions normales, il n'y aura pas de meilleure technologie de contrôle pour réduire les pertes et seuls des dispositifs de haute qualité seront choisis, par example en utilisant des tensions de conduction. Diodes Schottky inférieures ou diodes de récupération ultra - rapides avec des vitesses de blocage plus rapides et une récupération en douceur pour réduire les pertes et la chaleur. Le circuit de redressement du côté secondaire du transformateur haute fréquence peut également adopter une méthode de redressement synchrone, réduisant davantage la perte de perte de charge redressée et la génération de chaleur, mais les deux augmentent le coût. Par conséquent, la façon dont les fabricants peuvent saisir l'équilibre entre les performances et les coûts pour obtenir le meilleur rapport qualité - prix est une question qui mérite d'être étudiée.2.3 réduire la production de chaleur des composants magnétiques tels que les transformateurs haute fréquence et les inductances de filtrage.divers composants magnétiques sont indispensables dans les alimentations à découpage haute fréquence, telles que les selfs dans les filtres, les inductances de filtrage de stockage d'énergie, les alimentations isolées et les transformateurs haute fréquence. Ils génèrent des pertes plus ou moins importantes de cuivre et de fer au cours de leur travail, qui sont dissipées sous forme de chaleur. Pour les inducteurs et les transformateurs en particulier, les pertes de cuivre sont doublées par le courant haute fréquence circulant dans la bobine en raison de l'effet de chimiotaxie, de sorte que les pertes causées par les inducteurs et les transformateurs deviennent une partie non négligeable. Par conséquent, dans la conception, plusieurs fils minces laqués doivent être enroulés en parallèle, ou des feuilles de cuivre larges et minces doivent être enroulées pour réduire les effets de l'effet dermocosmétique. Le noyau magnétique est généralement constitué d'un matériau en Ferrite de haute qualité, tel que le matériau magnétique TDK produit au Japon. Une certaine marge doit être laissée en option pour éviter la saturation magnétique.? 2.4 réduire la quantité de chaleur générée par les fausses charges afin d'éviter les élévations de tension causées par l'état à vide, les alimentations à découpage de forte puissance sont souvent équipées de résistances de forte puissance à fausses charges. C'est notamment le cas pour les alimentations à cellules PFC source. Lorsque l'alimentation à découpage fonctionne, la charge virtuelle doit traverser une petite quantité de courant, ce qui non seulement réduit l'efficacité de l'alimentation à découpage, mais sa production de chaleur est également un facteur qui affecte la stabilité thermique de l'ensemble de la machine. La position de la charge fictive sur la plaque imprimée (PCB) est généralement très proche du condensateur électrolytique utilisé pour le filtrage de sortie et le condensateur électrolytique est extrêmement sensible à la température. Il est donc nécessaire de réduire le pouvoir calorifique de la charge simulée. Une méthode plus viable consiste à concevoir la charge virtuelle comme une méthode à impédance variable. La taille de la pseudo - impédance de charge est contrôlée en détectant le courant de sortie de l'alimentation à découpage. Lorsque l'alimentation est en charge normale, la pseudo - charge sort de l'état de consommation de courant; Lorsqu'il n'y a pas de charge, la pseudo - charge consomme le plus de courant. Cela n'affecte ni la stabilité de l'alimentation lorsqu'elle est à vide, ni ne diminue son efficacité et ne génère pas beaucoup de chaleur inutile. Conception de la dissipation de chaleur 3.1 Méthodes de base de la dissipation de chaleur et méthodes de calcul il existe trois méthodes de base de dissipation de chaleur: la conduction de chaleur, le transfert de chaleur par convection et le rayonnement thermique. 1) conduction thermique contact direct le transfert de chaleur qui se produit entre les différentes parties de l'objet ou à l'intérieur de l'objet est une conduction thermique. Son mécanisme est le transfert mutuel de l'énergie cinétique moléculaire entre des objets à différentes températures ou des Parties d'objets à différentes températures. Le concept de conduction thermique est très similaire à celui du courant électrique. La chaleur est toujours conduite d'un endroit à haute température à un endroit à basse température. Il y a une résistance thermique dans le processus de conduction thermique, tout comme il y a une résistance électrique dans le flux de courant. Son flux de chaleur ¦ = [w], où RT est la résistance thermique et Í est la différence de température. Résistance thermique RT = [k / W], où isla´ est l'épaisseur du conducteur, isla´ est la conductivité thermique et a est la surface de la section transversale du conducteur. De cette façon, dans la conception de l'alimentation à découpage, il est possible d'obtenir une élévation de température i = ¦rt à partir de la dissipation de puissance de la source de chauffage. Dans les applications pratiques, le flux de chaleur de la source de chaleur vers le radiateur doit souvent traverser des conducteurs de chaleur de plusieurs matériaux différents, c'est - à - dire qu'il existe une série de résistances thermiques différentes. Dans le calcul, la résistance thermique totale est la somme de plusieurs résistances thermiques. 2) transfert de chaleur par convection la chaleur est transmise par conduction thermique à la couche de fluide qui s'en trouve à proximité. Après que cette couche de fluide est chauffée, le volume se dilate, la densité devient plus petite, s'écoule vers le haut, et le fluide dense environnant coule vers le haut pour le remplissage. Le fluide absorbe la chaleur, se dilate et s'écoule vers le haut. Et circule de cette façon, emportant constamment la chaleur de la surface de l'élément chauffant. Ce processus est appelé transfert de chaleur par convection. Le calcul de l'échange de chaleur par convection prend généralement la formule proposée par Newton: ¦ = ¦Β a (¦Β 1ï¼ 2) [w], où a est la surface de la paroi en contact avec le fluide [m2], ¦Β est le coefficient d'échange de chaleur par convection, ¦a 1 est la température de la paroi [k] et¦a 2 est la température moyenne du fluide [k]. On voit que le flux thermique est proportionnel (1 - 2) au produit du coefficient de transfert de chaleur par convection, de la section A et de la différence de température entre la surface solide et le fluide. L'échange de chaleur par convection est un processus complexe d'échange de chaleur qui est déterminé non seulement par le processus thermique, mais aussi par le processus dynamique du gaz. En termes simples, deux facteurs influent sur le transfert de chaleur par convection: (1) Les propriétés physiques du fluide telles que la densité, la viscosité, le coefficient de dilatation, la conductivité thermique, la chaleur spécifique, etc.; (2) Si l'écoulement du fluide est par convection naturelle ou forcée, laminaire ou turbulente. En effet, dans un flux laminaire, le transfert de chaleur dépend principalement de la conduction thermique entre des couches d'écoulement non corrélées; Tandis que dans la turbulence, le fluide crée des tourbillons à l'extérieur de la Sous - couche laminaire près de la paroi pour améliorer le transfert de chaleur. En général, dans les mêmes autres conditions, le coefficient de transfert thermique d'un écoulement turbulent est plusieurs fois supérieur, voire supérieur, à celui d'un écoulement laminaire. 3) rayonnement thermique la propagation des ondes électromagnétiques causées par la différence de température est appelée rayonnement thermique. Son processus est beaucoup plus complexe que la conduction thermique et l'échange de chaleur par convection. C'est l'énergie qui convertit une partie de l'énergie thermique d'un objet en ondes électromagnétiques. Il se propage à travers un milieu qui peut transmettre des ondes électromagnétiques, comme l'air et le vide. Lorsqu'il rencontre d'autres objets, une partie est absorbée et convertie en énergie thermique et le reste est réfléchi. Le rayonnement infrarouge émis par divers objets est un rayonnement thermique. Dans le vide ou l'air, la capacité radiative d'un objet à rayonner dépend de la nature de l'objet, de l'état de la surface (par exemple, la couleur, la rugosité, etc.), de la surface et de la température de la surface. β = βba (t14ï¼ T24), où βb est la constante de Boltzmann avec une valeur de 5,67 * 10ï¼ 8, a est la surface rayonnée [m2], t est la température absolue [k] à la surface des deux objets et β est la noirceur de surface. Plus la surface de l'objet est sombre et rugueuse, plus la capacité de rayonnement est forte.