CC BY
8УДК 621.314
Фисенко А.Л.
инженер-конструктор ПАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск, Россия)
НОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ ОСНОВАНИЯ С ФОРМОЙ ТРАПЕЦИЕВИДНОЙ ПРИЗМЫ ДЛЯ СИЛОВОГО
ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО МОДУЛЯ ПОЗВОЛЯЮЩАЯ УВЕЛИЧИТЬ СРЕДНИЙ ПРЯМОЙ ТОК
Аннотация: в работе построена математическая модель, силового выпрямительного модуля с использованием новой конструкцией основания с формой трапециевидной призмы позволяющей увеличить средний прямой ток модуля размещая на новом основании полупроводниковые чипы большей площади, не меняя габариты модуля и систему внешнего охлаждения.
Ключевые слова: силовая электроника, выпрямительный модуль, тепловой
поток.
Чтобы увеличить средний прямой ток силового модуля без изменений его размеров, необходимо: в конструкции модуля использовать материалы и типы соединений деталей с меньшими тепловыми сопротивлениями; увеличить площадь чипов, чтобы снизить плотность теплового потока [1]. Увеличение площади чипов улучшает теплоотвод, так как плотность теплового потока зависит от площади. Но увеличение площади чипа ограниченно площадью основания модуля. Для примера построена исходная 3D модель силового диодного модуля без корпуса (Рис.1). Основание модуля с формой прямоугольного параллелепипеда.
Данные исходной модели: высота основания hb1 = 3мм, площадь основания Sb1 = 1890мм2, высота изолятора hi1 = 0,4мм, площадь изолятора Sil
= 1140мм2, высота чипа hc1 = 0,4мм, площадь чипа Sc1= 289мм2. Необходимые для сравнения электрофизические и тепловые показатели взяты по аналогии из модуля MDD95-16N1B IXYS Corporation [2]: температура корпуса ТС = 100°C, температура перехода TJ = 150°C, средний прямой ток IFAV(1) = 120A, рассеиваемая тепловая мощность (с чипа) PT(1) (DC) = 120W. Российский аналог по площади и конструкции - МДД-100-16, но с меньшим средним прямым током: IFAV = 100A [3].
Рис.1. 3D модель силового диодного модуля без корпуса.
На Рис.2.1 и Рис.2.2 приведено распределение рабочей температуры исходной модели, удовлетворяющее электрофизическим и тепловым показателям аналога.
Рис.2.1. Вид в разрезе, Рис.2.2. Общий вид Распределение рабочей температуры исходной модели.
Новая модель основания (Рис.3) размещает в модуле чипы площадью больше, чем позволяет исходное основание. Новое основание с формой трапециевидной призмы увеличивает площадь для размещения чипов без увеличения площади внешней стороны основания. Материалы, тип соединения деталей, толщина чипа и изолятора в силовом модуле новой модели не меняются. Таким образом, новое основание позволяет разместить чипы большей площади, что позволяет увеличить средний ток силового модуля.
Рис.3. 3D модель силового диодного модуля без корпуса с новой конструкцией основания.
Данные новой модели (Рис.3): угол основания а = 35°, минимальная высота основания №(тт)2 = 3 мм, максимальная высота основания hb(max)2 = 18мм, внешняя площадь основания Sb1 = 1890мм2, высота изолятора Ы2 = 0,4мм, площадь изолятора Si2 = 1440мм2, высота чипа Ы2 = 0,4мм, площадь чипа Sc2 = 484мм2, ТС = 100°С, Т7 = 150°С.
Плотность теплового потока в плоскости параллельной внешнему основанию модуля для новой модели q2 примерно равна плотности теплового потока для исходной модели q1, для температурных условий: ТС = 100°С, Т1 = 150°С.
Расчёт теплового потока без учёта рассеивания:
Ц.1 = 42 (1)
Яг = ^ (2)
ЛС1
Ч2 (3)
5с2 cos а
Рт (2) = Рт(1Г!'2С°5И (4)
Расчётное значение из формулы 4 рассеиваемой тепловой мощности (с чипа) для новой трапециевидной модели основания силового выпрямительного модуля увеличилось на 37% и составляет РТ(2) ^С) = 164,6W.
На Рис.4.1 и Рис.4.2 приведено распределение температуры новой модели, удовлетворяющее электрофизическим и тепловым показателям исходной модели и с той же теплоотдачей Rthch = 0,2К/W (тепловое сопротивление переход-радиатор) [2]. По 3D моделированию новой модели рассеиваемая тепловая мощность и средний ток увеличились на 25%: средний прямой ток ГРАУ(2) = 150А, рассеиваемая тепловая мощность (с чипа) РТ(2) (ОС) = 150".
Рис.4.1. Вид в разрезе, Рис.4.2. Общий вид Распределение рабочей температуры новой модели модуля.
После усечения верхней части нового основания на 3°, и смещения изолятора с чипами к верхнему краю основания, построена вторая новая модель модуля. По 3D моделированию новой модели рассеиваемая тепловая мощность и средний ток увеличились на 33%: средний прямой ток ГРАУ(3) = 160А, рассеиваемая тепловая мощность (с чипа) РТ(3) (ОС) = 160W. На Рис.5.1 и Рис.5.2 приведено распределение температуры новой модели, удовлетворяющее электрофизическим и тепловым показателям.
Рис.5.1. Вид в разрезе, Рис.5.2. Общий вид Распределение рабочей температуры новой модели модуля.
Выводы:
Использование основания с формой трапециевидной призмы для силового выпрямительного модуля позволяет расположить в той же конструкции модуля чипы большей площади, что делает возможным увеличение среднего прямого тока не меняя систему внешнего охлаждения;
Новая конструкция силового модуля с основанием в виде трапециевидной призмы должна быть доработана с учётом технологии изготовления и необходимости изменения других деталей: корпуса, токовыводов, перемычек;
Недостатки использования новой модели - дороговизна из-за сложности изготовления;
Преимущество использования новой модели - экономия места; Данная конструкция применима для всех типов приборов на основе полупроводниковых структур.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. William W. Sheng, Ronald P. Colino Power Electronic Modules: Design and Manufacture CRC Press , 2GG4. - 296 с.
2. MDD95-16N1B Производитель IXYS Corporation, г. Милпитас, Калифорния,
3. США - www.ixys.com
4. МДД-Ш-16 Производитель АС ЭНЕРГИЯ, г. Королев, Россия -www.asenergi.ru
Fisenko A.L.
design engineer «ELECTROVIPRYAMITEL» Enterprise (Saransk, Russia)
NEW DESIGN OF THE BASE (HEAT DISSIPATION BOARD) IN THE FORM OF A TRAPEZOIDAL PRISM FOR THE POWER RECTIFIER MODULE, WHICH ALLOWS TO INCREASE THE AVERAGE FORWARD CURRENT
Abstract: the use of a heat removal board in the form of a trapezoidal prism for the power rectifier module allows you to place a larger area semiconductor crystal in the same module design, which will increase the average value of the average forward current.
Keywords: power electronics, rectifier module, ate of heat flow.
