Kayıplar ve Soğutma
Kayıplar
• İletim Kayıpları (Forward Conduction Loss): İletimin akımının ve anahtar üzerindeki gerilim düşümünün bir fonksiyonudur.
Düşük Frekanslarda ana kayıp kaynağıdır.
• Tıkama yönünde kaçak akımla ilgili kayıplar. (Blocking State Losses)
• Kapı devresinde tetikleme sinyali sebebiyle kayıp.(Gate Drive Losses)
• Anahtarlama Kaybı (Switching Loss): İletime ve sönüme geçme esnasındaki kayıp enerji. Yüksek frekans
uygulamalarında önemlidir.
İletim Kayıpları
Anahtarlama Kaybı (Switching Loss): Bir ideal anahtarın iletim durumunda üzerindeki gerilim düşümü sıfırdır. Ve iletim kaybı bulunmamaktadır.
Pratikte, anahtarlama elemanları üzerinde iletim durumunda bir miktar gerilim düşümü (tipik olarak 1-3V) olmaktadır. Mosfet için iletim durumu gerilim düşümü direnci ile belirlenir.
İletim Kayıpları
Ortalama iletim kayıp gücü , anahtarlama elemanı üzerindeki gerilim düşümü ve üzerinden geçen akımla orantılıdır.
, ileri yönlü iletim gerilim düşümü, , iletim durumunda eleman üzerinden geçen akım, , iletim süresi, , anahtarlama frekansı.
v i
time
İdeal Anahtar (turn on)
v i
time
Gerçek Anahtar (turn-on)
P=vi
Energy
Anahtarlama Kayıpları
Anahtarlama Kaybı (Switching Loss): Anahtar elemanı üzerinde açma veya kapama zamanında ısı olarak harcanan kayıp güç eleman üzerindeki akım ve gerilimin çarpımına eşittir.
Anahtarlama Kayıpları
Anahtarlama Kaybı Hesabı (Resistif Yük için) Kapama durumuna geçiş Enerji kaybı:
Açma durumuna geçiş Enerji kaybı:
burada, , anahtarlama elemanı kapama anında üzerindeki gerilim, , iletim durumunda eleman üzerinden geçen akım,
, , açma/kapama zamanları
Anahtarlama Kayıpları
Anahtarlama Kaybı (Switching Loss): Tristör/Transistör anahtarlama
zamanı.
Anahtarlama Kayıpları
Anahtarlama Kaybı Hesabı (Endüktif Yük için) Kapama durumuna geçiş Enerji kaybı:
Açma durumuna geçiş Enerji kaybı:
burada, , anahtarlama elemanı kapama anında üzerindeki gerilim, , iletim durumunda eleman üzerinden geçen akım,
, , açma/kapama zamanları Ortalama Anahtarlama Kaybı:
Yarı iletkendeki Toplam Kayıp:
İletimle Isı Transferi
Burada; , A, cinsinden kesit alanı, d, m cinsinden uzunluk, termal iletkenlik ’dir. (alüminyum için =220 )
Isıl Direnç
Isıl direnç; olarak tanımlar. İlk denklemdeki eşitlikten yararlanarak:
olarak ta yazılabilir. Birimi ’dır.
Şekildeki gibi bir malzemenin bir bölümü üzerinde sıcaklık farkı varsa, yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklıktaki tarafa net bir enerji akışı vardır. Birim zamandaki enerji akışı, yani güç aşağıdaki denklemle ifade edilir.
İletimle Isı Transferi
Örnek1: h=b=1 cm ve d=20 cm olan bir alüminyum çubukta, sıcaklığında sol uçtan giren ısı enerjisi hızı 3W olup sağ uçtaki sıcaklık ’dir. sıcaklığını bulunuz.
den +
Örnek2: Bir transistör modülü h=3cm, b=4cm ve d=2cm olan bir alüminyum
plakaya monte edilmiştir. ’lik bir yüzeyden diğerine ’lik bir sıcaklık düşümüne izin verilmektedir. Modülde üretilebilecek maksimum güç değerini bulunuz.
=
İletimle Isı Transferi
Genellikle ısı her biri farklı geçirgenliğe sahip ve bazende farklı alan ve
kalınlıkları olan malzemelerden geçmek zorundadır. Yandaki şekilde bir elemanın üzerindeki ısının çevreye ısı yayılım
yolunu modelleyen çok katmanlı bir örnek verilmiştir.
Jonksiyondan çevreye (ja) toplam ısıl direnç:
++
olarak tanımlar.
Elde edilen güç kaybı (dissipation) elektrik devrelerine benzer şekilde verilebilir.
++) +
Isı akışı için paralel yollar varsa ısıl
İletimle Isı Transferi
Örnek3: ‘lik bir jonksiyon sıcaklığı için, bir transistörün güç kaybı 26W’tır. Üretici için ’lık bir değer belirtmiştir. kalınlığında bir mika yalıtkan ısıl yağla birlikte
kullanıldığında birleşimin ısıl direnci olmaktadır. Soğutucunun konulduğu kabinin en kötü durumda sıcaklığı dir. Bu durumda soğutucudan çevreye ısıl direnç ne olur.
++) + ++) +
İletimle Isı Transferi
Güç elemanlarının üreticileri ısıl direnci mümkün olduğunca düşük tutulmasına önem verirler. Bu anlamda d, ısı akış yolunun mümkün olduğunca ve devrilme (break down) gerilimi, mekanik dayanıklılık ve diğer gereksinimleri de karşılayacak şekilde kısa tutulması anlamına gelir.
Bu aynı zamanda A kesit alanının parazitik kondansatörünü minumum kılmak anlamına gelir.
Kılıf yüksek ısıl iletimli bir malzemeden yapılmalıdır. Yüksek güçlü elemanlarda, kılıf hava veya su soğutmalı bir soğutucu üzerine yerleştirilmelidir.
Geçici Isıl Empedans
Bazı durumlarda; güç eleman kullanıcısının, kullanılacak elemanın geçici ısıl cevabına önem vermesi gerekebilir. Çeşitli nedenlerle aşırı yüklenme, çalıştırıp durdurma, ani kayıplar vs. ortalama güç anma değeri aşılabilir. Güçteki ani artışın jonksiyon sıcaklığında izin verilen maksimum değeri aşıp aşmayacağını
yükselmenin büyüklüğü, süresi ve elemanın ısıl özelliklerine bağlıdır.
Geçici durumda elemanın , ısıl kapasitesi ısıl dirençle birlikte göz önüne alınmalıdır. Bir malzemenin birim hacmine düşen ısı kapasitesi Q, ısı enerji yoğunluğunun T malzeme sıcaklığı ile değişimi olarak tanımlanır.
şeklinde verilebilir. Burada , birim hacme karşı düşen ısı kapasitesi olup birimi her bir derece Kelvin için birim alan başına düşen Joule miktarıdır. Kesit alanı A, akış yönündeki genişliği d olan dikdörtgen şeklindeki bir malzeme için ısı kapasitesi:
Geçici Isıl Empedans
Jonksiyon sıcaklığının geçici davranışı zamana bağlı ısı yayılımı (difüzyon)
denklemi ile verilir. Bu denklemin yaklaşık eşdeğeri ve çözümü aşağıda verilmiştir:
Geçici Isıl Empedans
Örnek3: Çok tabakalı bir ısıl yapıda birbirinden farklı ısıl zaman sabitleri varsa
Soğutucular (Heat Sink)
Işınım (Radiation) ve Yayılım (Convection) ile ısı transferi
Soğutucu ile ortam arasındaki ısıl direnç , soğutucu üreticileri tarafında bir önceki slaytta gösterildiği gibi verilir. Bu veriler ancak belirli bir soğutucu ve çevre sıcaklığı için geçerlidir. Soğutucunun farklı sıcaklıklarda nasıl davranacağı bir cismin
yüzeyinden çerçeveye yayınım ve ışınım ile ısı dağılma mekanizmasının anlaşılması esastır.
Işınımla yayılan ısı transferi Stefan-Boltzman kanunu ile tanımlanır:
Burada; ışınım ile yayılan gücün watt cinsinden değeri, E, yüzeyin ısı salma katsayısı, , Kelvin cinsinden yüzey sıcaklığı, , Kelvin cinsinden çevre sıcaklığı, A, (kanatlarda dahil olduğunda) soğutucunun metre kare cinsinden yüzey alanıdır.
Literatürde E değerleri siyah oksitlenmiş alüminyum soğutucular için 0.9, Cilalanmış alüminyum gibi için 0.05 kadar küçük olabilir.
Siyah oksitlenmiş alüminyum için:
Işınım (Radiation) ve Yayılım (Convection) ile ısı transferi
Siyah oksitlenmiş alüminyum için:
yazılabilir. Isıl direnç; için
, olduğunda;
gibi verilir.
Işınım (Radiation) ve Yayılım (Convection) ile ısı transferi
Yayılımlı ısı transferinden kaynaklanan ısıl direnç; dikey bir yüzeyim yüksekliği ,
yaklaşık 1m’den az ise yayılımla deniz seviyesinde çevreye aşağıda hızla ısı enerjisi verir.
yazılabilir. Isıl direnç; için
elde edilir.
Soğutucuya ait ışınım ve yayılım etkileri birleştirildiğinde değeri:
Soğutucu Hesaplama Örneği
Yukarıdaki soğutucu için ısıl direnç hesaplanacaktır.
a) Yayılımlı ısıl direnç için kullanılacak alanlar b) Işınımlı ısıl direnç için kullanılacak alanlar
Soğutucu Hesaplama Örneği
Işınımlı ısıl direnç bileşeni:
olarak bulunur.
, ve siyah oksitli alüminyum için
Soğutucu Hesaplama Örneği
Yayılımlı ısıl direnç bileşeni:
Kanat aralığı 9mm olduğundan soğutucunun yayılımlı etkisi yandaki grafikte görüldüğü gibi oranında azalmaktadır.
olarak bulunur.
Soğutucu Hesaplama Örneği
Soğutucuya ait ışınım ve yayılım etkileri birleştirildiğinde değeri:
Bu değer 7 numaralı soğutucuya ait ölçülmüş değer olduğu görülebilir.
