Drei grundlegende Wärmeübertragungsmethoden für das thermische Management

Wärmeenergie wird von Regionen mit hoher Temperatur in Regionen mit niedriger Temperatur über drei grundlegende Mechanismen übertragen; Strahlung, Leitung und Konvektion.
 

Strahlung.   Elektromagnetische Wärmeübertragung zwischen Massen bei unterschiedlichen Temperaturen.

Leitung.   Wärmeübertragung durch ein festes Medium.

Konvektion. Übertragung der Wärme durch das Medium einer Flüssigkeit; typischerweise Luft.



Alle drei dieser Wärmeübertragungsmechanismen sind bis zu einem gewissen Grad in jeder Anwendung aktiv. Konvektion wird der dominierende Wärmeübertragungsmechanismus in den meisten Anwendungen sein. Nichtdominante Effekte werden einen zusätzlichen Beitrag zur Kühlung leisten; In einigen Fällen können sie jedoch zu unerwünschten und unerwarteten thermischen Wechselwirkungen zwischen Bauteilen und Baugruppen führen. Alle drei Mechanismen sollten bei der Entwicklung einer erfolgreichen Kühlstrategie berücksichtigt werden.

STRAHLUNG

Der Strahlungswärmetransfer erfolgt kontinuierlich zwischen Objekten mit unterschiedlichen Temperaturen, die einander ausgesetzt sind.

Der Nettoeffekt auf die Temperatur eines einzelnen Teils hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, einschließlich der Temperatur im Verhältnis zu anderen Teilen, der relativen Teileausrichtung, der Oberflächenbeschaffenheit und dem Abstand. Die Schwierigkeit, viele dieser Faktoren zu quantifizieren, kombiniert mit dem universellen Vorhandensein von Strahlungsenergietausch, macht die Berechnung der Strahlungstemperatureffekte zu einer komplexen und allgemein ungenauen Aufgabe.

Temperaturunterschiede, die in praktischen Anwendungen von Vicor-Wandlern auftreten, sind nie groß genug, um die Strahlungskühlung zum dominierenden Wärmeübertragungsmechanismus zu machen. Strahlung macht in den meisten Fällen weniger als 10% des gesamten Wärmeübergangs aus. Aus diesen Gründen wird oft davon ausgegangen, dass das Vorhandensein von Strahlungskühlung über den dominanten Kühlmechanismus hinaus Sicherheitsmargen bietet, und eine detaillierte Betrachtung ihrer Auswirkungen wird vernachlässigt. Eine gültige Annahme ist in den meisten Fällen, dass der Konverter wärmer als seine Umgebung ist und die Strahlungsenergietransfer die Kühlung unterstützt.

In einigen Fällen können jedoch Objekte in der Nähe (PC-Boards, Leistungswiderstände usw.) viel heißer sein als der Konverter und die Nettostrahlungsenergieübertragung kann tatsächlich die Temperatur des Konverters erhöhen.

Die Vermessung der relativen Positionen und geschätzten Temperaturen von Umrichtern und umgebenden Teilen ist ratsam, um die möglichen Auswirkungen der Strahlungsübertragung vorherzusagen. In Fällen, in denen sich heiße Komponenten in unmittelbarer Nähe des Konverters befinden, kann der Einsatz von Zwischensperren in der Regel unerwünschte Strahlungsheizungseffekte mildern.

VERFÜHRUNG

In den meisten Anwendungen wird Wärme von der Grundplatte in einen angebrachten Kühlkörper oder ein wärmeleitendes Element geleitet. Wärme, die über die Schnittstelle zwischen Grundplatte und Gegenstück geleitet wird, führt zu einem Temperaturabfall, der kontrolliert werden muss. Wie in Abbildung 20–2 gezeigt, kann die Schnittstelle als "thermischer Widerstand" in Reihe mit dem abgeleiteten Stromfluss modelliert werden. Die Basisplattentemperatur ist die Summe des Temperaturanstiegs in der Grenzfläche und der Temperatur des Elements, zu dem

Die Grundplatte ist befestigt.

Der Temperaturanstieg über eine Oberflächenschnittstelle kann signifikant sein, wenn er nicht kontrolliert wird. Die Fläche der Schnittstelle sollte so groß wie möglich sein, und die Oberflächenebene des angebrachten Elements sollte innerhalb von 5 mils sein. Um Oberflächenunregelmäßigkeiten zu füllen, sollte eine thermische Verbindung oder ein Thermopad verwendet werden. Der Wärmewiderstand über Oberflächen hinweg kann mit geeigneten Maßen unter 0,1˚C/Watt gehalten werden.

Viele Anwendungen erfordern, dass Wärme von der Grundplatte des Konverters über ein wärmeleitendes Element auf eine "entfernte" ableitbare Oberfläche geleitet wird. Die resultierende Grundplattentemperatur ist die Summe der Temperatur der dissipativen Oberfläche, des Temperaturanstiegs im wärmeleitenden Element und der Anstiege über die beiden Oberflächengrenzen. Der Wärmewiderstand des leitenden Elements ist proportional zu seiner Länge und umgekehrt proportional zu seiner Querschnittsfläche und Wärmeleitfähigkeit (Abbildung 20–3). Die Minimierung des Gesamttemperaturanstiegs hängt von der Steuerung des Grenzflächenwiderstands, wie oben beschrieben, und der Steuerung des thermischen Widerstands des Transferelements durch geeignete Materialauswahl und Dimensionierung ab.

KONVEKTION

Konvektive Wärmeübertragung in Luft ist eine gängige Methode zur Kühlung von Vicor-Konvertern. "Freie" oder "natürliche" Konvektion bezieht sich auf die Wärmeübertragung von einer ableitfähigen Oberfläche in eine kühlere umgebende Masse ansonsten stiller Luft; Unter Zwangskonvektion versteht man die Wärmeübertragung in einen sich bewegenden Luftstrom.

Das Modell der Konvektionskühlung ist in Abbildung 20-4 dargestellt. Die Grundplattentemperatur hängt von der Temperatur der Luft, der Gesamtleistung und den Werten von zwei thermischen Widerständen ab; den thermischen Widerstand der Oberflächenschnittstelle zwischen Grundplatte und Kühlkörper und den thermischen Widerstand zwischen Kühlkörper und Luft. Der Oberflächenwiderstand kann minimiert werden, wie unter Leitung beschrieben. Der Kühlkörper-Luft-Widerstand ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig, darunter Kühlkörper-Material und -Geometrie, Lufttemperatur, Luftdichte und Luftdurchsatz. Glücklicherweise sind Wärmewiderstandsdaten für eine sehr breite Palette von Standard-Kühlkörpern für den Einsatz in freien und erzwungenen Konvektionsanwendungen verfügbar. In den folgenden Abschnitten werden Richtlinien für die freie und erzwungene Konvektionskühlung von Vicor-Wandlern und konfigurierbaren Geräten bereitgestellt.