Konveksjons- og ledningsavkjøling – Quo Vadis?

Patrick Le Fevre er markeds- og kommunikasjonsdirektør i Powerbox, og en anerkjent ekspert på kraftforsyninger og kraftelektronikk gjennom mer enn 30 år.Helt fra begynnelsen har utviklere av kraftelektronikk vært opptatt av å holde temperaturen på en kraftforsyning nede på et nivå som garanterer høyeste ytelsesnivå og sikkerhet. Tatt i betraktning den fantastiske økningen i effekttetthet som vi har vært vitne til i løpet av de siste 20 årene, har termisk styring blitt en fremtredende del av designprosessen. Layout og mekanisk design er nå like viktig som effektivitetstopologier, og hvordan «kaloriene» kan flyttes ut av moduler er blitt den reneste kunstart!

Kappløpet mot større effekttetthet!

Effektiv termisk styring var en av utfordringene jeg møtte på begynnelsen av nittitallet, da jeg jobbet for mikroelektronikkselskapet Micro-Gisco. Jeg var med på utformingen av en 100W DC/DC-omformer i en pakkestørrelse tilsvarende det som i dag kalles en kvartblokk, for en applikasjon der omgivelsestemperaturen flørtet med overgangstemperaturen. På den tiden var den eneste tilgjengelige teknologien å bruke tykkfilmteknologi og brikkebonding på et keramisk underlag. I slike typer bruksområder var den eneste måten å kunne garantere effektiv kjøling å bruke en bunnplate festet til en væskebasert varmeveksler. Det skulle være unødvendig å forklare betydningen av ledningskjøling og effektiv termisk styring, noe som sitter langt fremme i tankene til enhver kraftdesigner.

Stadig tettere «blokker»

Med utviklingen av mobil telekommunikasjon, bidro samtidig den økte etterspørselen etter integrerte kraftløsninger til fremveksten av de såkalte "blokkene" («bricks»), og et kappløp for å pakke stadig mer effekt inn i mindre størrelser begynte. Økningen i effekt har vært virkelig imponerende. Et eksempel er økningen i effekttettheten til den såkalte "kvartblokken". I mars 2000 lanserte strømmodulavdelingen til ERICSSON (EPM) en toppmoderne 100 W kvartblokk DC/DC-omformer, PKM 4000-serien. 20 år senere lanserte FLEX Power Module (som kjøpte EPM i 2017) en 1300 W kvartblokk, BMR480 (Figur 01).

Økt med 10-gangen

Å øke utgangseffekten med en faktor på mer enn 10 på mindre enn 20 år er resultatet av en kombinasjon av mer effektive topologier, digital styring, nye komponenter, kobbertunge, flerlags kretskort, integrerte magnetkretser og enestående utlegg - men ikke bare dette! For å garantere full ytelse av slike produkter, er effektiv kjøling et must!

Den magiske grensen

Gjennom de siste 20 årene har kraftelektronikkingeniører forbedret produktenes effektivitet til et høyt nivå, og vi har alle som mål å nå det magiske tallet på 99,99 %. Men inntil da må vi håndtere varmen som genereres av effekttapene. En 1000 W DC/DC-omformer med en typisk virkningsgrad på 97 % vil måtte avlede 31 W [Pd = Pout x ((1-Ƞ) / Ƞ)]. Tatt i betraktning en gjennomsnittlig omgivelsestemperatur i et telekom- eller industrielt utstyr på 55 grader Celsius, vil effektiv kjøling være nødvendig for å garantere at den interne temperaturen til modulen ikke overskrider sikkerhetsgrensen spesifisert av produsenten, f.eks. +105 grader C ved spesifisert testpunkt.

Med Fouriers Lov i tankene

I 1822 demonstrerte den franske fysikeren Joseph Fourier at tiden det tar for varmen å trenge gjennom et materiale er proporsjonal med den negative gradienten i temperaturen og arelet. (Kilde: PRBX)Som vi alle husker fra skolen, demonstrerte den franske legen Joseph Fourier (Figur 02) i 1822 at tiden for varmeoverføring gjennom et materiale er proporsjonal med den negative gradienten i temperaturen og til området. Fouriers lover (Figur 03) for termisk ledning styrer prinsippet om varmeveksling fra det laveste nivået, for eksempel halvlederforbindelsen til omgivelsene. Termisk motstand er den gjensidige av termisk konduktans. Akkurat som en elektrisk motstand er forbundet med ledning av elektrisitet, kan en termisk motstand være assosiert med ledning av varme. 

Fouriers lov om termisk ledning (Kilde: PRBX)Å gjøre den termiske motstanden så lav som mulig er en utfordring for alle kraftdesignere, og det er her elektronikk møter termodynamikk.

Luftkjøling

Byggemetodene for AC/DC og DC/DC kraftmoduler er optimalisert for å evakuere varmen gjennom en ledningsavkjølingsmekanisme fra silisium til en utvekslingsoverflate, f.eks. aluminiumsbaseplate. I de fleste vanlige bruksområder er en kjøleribbe festet til baseplaten og avkjølt av en luftstrøm, og dermed evakuerer varme fra modulen (Figur 04). I telekom/datakomapplikasjoner er en 400 LFM (2 m/s) luftstrøm som sirkulerer inne i stativet for å kjøle ned hele systemet veldig vanlig, men noen systemer med svært høy effekttetthet kan kreve opptil det dobbelte (800 LFM (4 m/s) ), noe som er svært støyende og reduserer levetiden til vifter og kjøleturbiner.Illustrasjon av en typisk kraftmodul som blir avkjølt med en påmontert kjøleribbe. Akkurat som elektrisk motstand henger sammen med ledning av elektrisitet, er termisk motstand knyttet til ledning av varme. (Kilde: PRBX)

Begrensninger

Aktiv luftkjøling er den vanligste metoden for å holde temperaturen innenfor sikre grenser, selv om det er en rekke applikasjoner der slike kjølingsmetoder ikke er mulige, og det er et økende antall hensyn til pålitelighet og bærekraft knyttet til det. Vanligvis blir luften som ventileres gjennom datasentre og annet høyeffektutstyr blåst ut på utsiden av bygningen, energien omdannes ikke til noen brukbar ressurs, i tillegg til at de fleste datasentrene som krever luftkondisjoneringssystemer bruker mye energi, hvilket er en stor bekymring.

Når aktiv luftkjøling ikke er et alternativ

Det finnes en rekke applikasjoner hvor det ikke er mulig eller til og med tillatt å bruke aktiv ventilasjon. I tøffe miljøer eller i applikasjoner der det nødvendige pålitelighetsnivået medfører et behov for å fjerne alle mulige risikoer for feil, er vifter og blåsere ikke tillatt. Her er noen eksempler.

Forseglede bokser

Eksempel på en termisk ledende plattform, optimalisert for ledningskjøling, med alle dissiperende komponenter montert på baseplaten. (Kilde: PRBX)Industrielt maskineri, som laserskjæreutstyr som genererer brente partikler, røyk og damp har sine overvåkings- og styrebokser forseglet for å unngå forurensning og risiko for skade som følge av skjæreprosessen. For å drive styresystemet er strømforsyningen innelukket i en forseglet boks, noe som krever at den avledede varmen trekkes ut ved ledning fra chassiset, eller at den må festes til en kaldvegg. For å gjøre kjølingen så effektiv som mulig, er strømforsyningen utformet med en stor baseplate som alle dissiperende komponenter er festet til (Figur 05). I noe utstyr er det nødvendig med væskekjøling for å kjøle ned vitale deler, for eksempel en laser- eller plasmabrenner under drift. I slike applikasjoner drar strømforsyningen nytte av væskesirkulasjonen og baseplaten festet til et kjøleelement (Figur 06).I krevende applikasjoner kan et væskekjølingselement monteres til kraftforsyningens (PSUens) baseplate for å muliggjøre evakuering av kalorier (Bilde: PRBX/SUNON)

Pålitelighet

Industrielt overvåkings- og sikkerhetsutstyr kan installeres på avsidesliggende steder der eksponering for ekstreme værforhold er vanlig, og hvor vedlikehold kan bli komplisert. I slike installasjoner er pålitelighet ekstremt viktig, og systemdesignere må utelukke alle mulige årsaker til feil. Til tross for betydelige kvalitetsforbedringer er vifter og blåsere utsatt for mekanisk feil og er ikke egnet for slike bruksområder. Igjen, som i forrige eksempel, kan kjøling kun oppnås gjennom ledning til utsiden av den forseglede boksen og en passiv varmeveksler.

Når taushet er gull

Det er også en økende etterspørsel etter utstyr for installasjon i overvåkingsrom eller til og med vanlige kontorer, der generert støy ganske enkelt ikke produseres eller er veldig begrenset, av hensyn til de ansattes komfort og helse.

Støy

Ett eksempel er kontorer i åpne landskap, hvor støynivået i noen tilfeller kan være så høyt som 60 til 65 desibel. Dette kan virke lite sammenlignet med for eksempel en trafikkert motorvei som genererer 85 desibel, men det kan gjøre kognitivt krevende arbeid vanskelig å gjennomføre, med påfølgende effekter på helse og sikkerhet. Faktisk krever en rekke selskaper nå at støynivået i kontorlandskap i åpent landskap skal være under 55 desibel, og lokale forskrifter blir tatt i bruk.

Bannlyst

I slike situasjoner som inkluderer utstyr installert i rommet, fra datamaskiner til store skjermer, f.eks. slik det brukes i vei- eller flykontroll, må støynivået reduseres til lavest mulig nivå, og støyende tvungen luftkjøling er bannlyst. Under slike forhold må strømforsyningen utformes for å kunne fungere uten ventilasjon, ved bruk av en ledningskjølt løsning.

Som konklusjon:

Å designe en kraftforsyning for ledningskjøling krever at utviklerne arbeider på veldig forskjellige måter, sammenlignet med når de designer en kraftforsyning som kan dra nytte av høy luftstrøm og omfattende kjøling. Ledningskjølte strømforsyninger ble tidligere betraktet som nærmest et anekdotisk segment, men nye miljøforskrifter kan snart kreve at en rekke aktivt luftkjølte applikasjoner må gå over til mer miljøvennlige løsninger – og ledningskjøling.

Referanser:

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

Théorie Analytique de la Chaleur par M. FOURRIER - 1822: https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k1045508v.texteImage#

FLEX Power Modules : https://flexpowermodules.com/