Modelli termici di convertitori di potenza per applicazioni in ambiente ostile

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1 ALIMENTAZIONE IN AMBIENTE OSTILE: APPLICAZIONE AD ESPERIMENTI DI FISICA DELLE ALTE ENERGIE Modelli termici di convertitori di potenza per applicazioni in ambiente ostile P. Cova, R. Menozzi, N. Delmonte, M. Bernardoni Università di Parma Dipartimento di Ingegneria dell Informazione

2 Sommario Introduzione CP: definizione del problema e simulazioni 2D preliminari CP: simulazioni fluidodinamiche per i dissipatori ad acqua CP: analisi termica a livello sistema CP: simulazioni a livello componente (e tecnologia schede) CP: definizione layout modulo CP: progettazione termica trasformatore planare CP: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore CSPOL: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore 2

3 Sommario Introduzione CP: definizione del problema e simulazioni 2D preliminari CP: simulazioni fluidodinamiche per i dissipatori ad acqua CP: analisi termica a livello sistema CP: simulazioni a livello componente (e tecnologia schede) CP: definizione layout modulo CP: progettazione termica trasformatore planare CP: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore CSPOL: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore 3

4 Perché ostile dal punto di vista termico? Contenitore chiuso e adiabatico (convertitore primario) Stringenti vincoli di spazio Quasi totale assenza di convezione Necessità di raffreddamento ad acqua Necessità di smaltire tutto il calore generato attraverso il dissipatore Limiti sul riscaldamento dell acqua in uscita ( T = 7 C) Presenza di elevato campo magnetico stazionario Utilizzo di nuclei magnetici ad alta saturazione (perdite elevate) Richiesta estrema affidabilità (convertitore primario) Necessità di ridondanza 4

5 Aspetti della progettazione termica Convertitore primario - CP: 280 V / 12 V, 1500 W Scelta della ridondanza (2+1) Numero e disposizione dei dissipatori ad acqua Tecnologia schede Scelta del package dei componenti di potenza Layout scheda Tecnologia trasformatore Convertitore secondario - CSPOL: 12 V / 2 V, 40 W Layout di scheda Scelta del package dei componenti di potenza 5

6 Modellazione termica a differenti livelli Analisi della letteratura per soluzioni semplificate Modelli agli Elementi Finiti (FEM): approccio top-down livello sistema dissipatore ad acqua disposizione delle schede livello scheda principali componenti dissipativi layout studio della conduzione e convezione del calore livello componenti definizione interna ed esterna del package (forme e materiali) studio dello scambio di calore dei singoli componenti 6

7 Modellazione termica a differenti livelli Dissipatori ad acqua Livello sistema (disposizione schede e dissipatori) Componenti Layout dei moduli 7

8 Sommario Introduzione CP: definizione del problema e simulazioni 2D preliminari CP: simulazioni fluidodinamiche per i dissipatori ad acqua CP: analisi termica a livello sistema CP: simulazioni a livello componente (e tecnologia schede) CP: definizione layout modulo CP: progettazione termica trasformatore planare CP: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore CSPOL: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore 8

9 Specifiche del convertitore primario (CP) Case: acciaio 1510 (spessore = 2 mm) Dissipatore (Al): portata = 1,9 l/min, p = 350 mbar spessore = 15 mm diametro tubo = 5 mm T inlet = 18 C T outlet 25 C Temperatura ambiente = 18 C Potenza totale dissipata da 2+1 moduli = 800 W (3x267 oppure 2x400) Massima potenza teoricamente estraibile dall acqua: Q H 2 O flow C p T portata , W 9

10 Influenza della convezione interna ed esterna Portata = 1,9 l/min T inlet = 18 C P d1 = 30 W P d2 = 21 W P d3 = 15 W T max = 67 C P dtot = 198 W P d1 P d1 P d1 P d2 P d2 P d2 19 C 20 C convezione T max = 67 C 19 C 21 C adiabatica (*) (*) [ C] P d3 T outlet = 21 C P d3 P d3 21 C (*) parete metallica modellata con spessore trascurabile T outlet = 21 C 21 C 10

11 Ottimizzazione del case Portata = 1,9 l/min T inlet = 18 C P disp = 45 W T [ C] P dtot =405 W Con taglio termico 19 C 20 C Isolante Plastico 1 mm k = 1,5 W/(m K) Radiat. supplem. 18 C Canale H 2 O 5 mm 21 C 21 C T max 97 C T max 97 C T max 97 C 18 C T outlet = 25 C 24 C 25 C 22 C 25 C 18 C 11

12 Sommario Introduzione CP: definizione del problema e simulazioni 2D preliminari CP: simulazioni fluidodinamiche per i dissipatori ad acqua CP: analisi termica a livello sistema CP: simulazioni a livello componente (e tecnologia schede) CP: definizione layout modulo CP: progettazione termica trasformatore planare CP: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore CSPOL: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore 12

13 Simulazioni FE termo-fluidodinamiche P = 800 W uniformemente distribuita sulla superficie Mappa termica superficie Mappa termica H 2 O e Al Layout non ottimizzato Maggiore scambio termico nelle curve (flusso turbolento) Un solo dissipatore non è la scelta ottimale 13

14 Sommario Introduzione CP: definizione del problema e simulazioni 2D preliminari CP: analisi termica a livello sistema CP: simulazioni fluidodinamiche per i dissipatori ad acqua CP: simulazioni a livello componente (e tecnologia schede) CP: definizione layout modulo CP: progettazione termica trasformatore planare CP: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore CSPOL: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore 14

15 Risultati simulazioni di sistema Pareti esterne Acqua Superfici interne 18 C C C Temperatura di uscita acqua: 29 C (specifica: 25 C) Massima temperatura interna: 35 C (non significativo perché la potenza è supposta uniformemente distribuita) Pareti esterne riscaldate di 18 C BUONO (specifica: 18 C) 15

16 Simulazioni di sistema: caso di guasto Pareti estrerne Acqua Superfici interne 18 C 34 C 45 C 34 C per l acqua in uscita fuori specifica (specifica: 25 C) 45 C per la massima temperatura interna (non significativo perché la potenza è supposta uniformemente distribuita) Temperatura delle pareti esterne 18 C BUONO (specifica: 18 C) 16

17 Sommario Introduzione CP: definizione del problema simulazioni 2D preliminari CP: simulazioni fluidodinamiche per i dissipatori ad acqua CP: analisi termica a livello sistema CP: simulazioni a livello componente (e tecnologia schede) CP: definizione layout modulo CP: progettazione termica trasformatore planare CP: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore CSPOL: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore 17

18 Simulazioni a livello componente/scheda Dispositivi considerati: TO-220 e D 2 PAK Modello del componente: Strutture simulate: (1) FR4 (2) IMS (3) FR4+Slcn (4) FR4 con thermal vias M. Bernardoni et al., ESREF 09, Arcachon (F), 5-9 ott

19 Misure termiche per taratura modelli 19

20 Risultati simulazioni differenti strutture (1) FR4 (2) IMS (4) Th. vias (3) FR4+Slcn 20

21 Sommario Introduzione CP: definizione del problema e simulazioni 2D preliminari CP: simulazioni fluidodinamiche per i dissipatori ad acqua CP: analisi termica a livello sistema CP: simulazioni a livello componente (e tecnologia schede) CP: definizione layout modulo CP: progettazione termica trasformatore planare CP: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore CSPOL: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore 21

22 Simulazioni termiche a livello di scheda Specifiche necessarie - Definizione dei principali componenti dissipativi - Potenza dissipata dai componenti - Definizione dei package - Layout del modulo - Scelta della tecnologia di scheda 22

23 Layout preliminare del modulo del CP Simulazioni struttura preliminare: Elettromagnetica (solo trasformatore) Termica (trasformatore, MOSFET, diodi) secondario primario trasformatore diodi MOSFET 23

24 Tecnologia di fabbricazione della scheda Tecnologie analizzate: FR4 IMS (Insulated Metal Substrate) Vincoli progettuali per la scelta della tecnologia: Mantenere basse le temperature esterne del sistema complessivo Mantenere basse le temperature dei componenti attivi Realizzazione di un modello FEM semplificato per tenere conto esclusivamente degli aspetti termici 24

25 Perché un trasformatore planare? Vantaggi: Elevata densità di potenza Profilo basso, per montaggio con ingombri ridotti Miglior ripetibilità a livello di fabbricazione in serie Maggiore frequenza operativa Maggiore efficienza globale del convertitore Sfide: Le perdite nel rame e nel nucleo crescono con la frequenza e con la densità di potenza L affidabilità dei componenti magnetici dipende dalla temperatura (saldature, materiali di isolamento) Il progetto termico del trasformatore diventa critico in contenitori chiusi con vincoli termici stringenti e raffreddamento a liquido La frazione di perdite nel trasformatore rispetto all intero convertitore cresce con la frequenza ed è già circa il % a 100 khz Importante un accurato modello termico 3D FEM 25

26 Analisi preliminare del trasformatore planare Scheda su cui verranno realizzati gli avvolgimenti (FR4 o IMS) Differenti soluzioni per accoppiamento termico del nucleo secondario primario trasformatore diodi MOSFET 26

27 Geometria preliminare semplificata Copertura in Alluminio Percorsi termici in parallelo Separatori (AlN) Contatto termico nucleo-dissipatore e nucleo-copertura Nucleo E+I 27

28 FR4 Risultati simulazione termica (I) Soluzione economica Tecnologia standard Riscaldamento eccessivo degli avvolgimenti e del nucleo ferromagnetico Non adatta per la densità di potenza stimata (34 W nelle piste e 25 W nel nucleo ferromagnetico) Soluzione CAEN con 8x4 secondari in // C 28

29 Risultati simulazione termica (II) IMS Riscaldamento di circa 1/4 rispetto alla soluzione in FR4 Tecnologia più avanzata In grado di gestire elevate densità di potenza Adatto per schede a 2 layer C 29

30 Analisi elettromagnetica Per stimare correttamente le perdite nel nucleo sono state eseguite delle simulazioni FEM elettromagnetiche Obiettivo: ottenere la distribuzione dell induzione magnetica nel nucleo Dalla caratteristica P diss = P(f,B) fornita dal costruttore si valuta la potenza dissipata nel nucleo: 30

31 Risultati FEM simulazioni elettromagnetiche 31

32 Analisi termica preliminare del CP Conoscendo la potenza dissipata dal nucleo ferromagnetico la potenza dissipata dai singoli componenti (MOS, diodi) la potenza dissipata nelle spire è possibile simulare l andamento della temperatura sulla scheda complessiva Analisi termica complessiva sul convertitore primario 32

33 Modelli termici dei componenti: diodi Package complessivo del diodo di potenza del raddrizzatore a secondario del trasformatore Die di silicio in cui viene impostata la potenza dissipata dal componente Contatti elettrici del componente (svolgono anche la funzione di trasferimento termico) Sono stati evitati dettagli geometrici ininfluenti sul comportamento termico del componente 33

34 Stima delle potenze dissipate nel CP 25 Poi rivelatasi sottostimata! 34

35 Risultati simulazione termica preliminare CP Utilizzo di schede IMS Riscaldamento delle pareti esterne contenuto 30 C La massima temperatura raggiunta all esterno è di circa 35 C Possibilità di maggiore dettaglio conoscendo la geometria delle spire interne al trasformatore (CAEN) 35 Gestione dello scambio convettivo con il dissipatore tramite il calcolo del numero di Nusselt

36 Limiti tecnologici e soluzioni adottate Impossibilità di costruire gli avvolgimenti del nucleo su schede IMS (correnti parassite) Avvolgimenti costruiti su PCB multistrato con dielettrico sottile Impossibilità di fabbricare circuiti a primario su scheda IMS (servono schede multistrato) Fabbricate su IMS soltanto le parti più critiche dei circuiti (MOSFET a primario) Diodi ISOTOP a secondario e nucleo del trasformatore con collegamento termico diretto al baseplate metallico 36

37 Sommario Introduzione CP: definizione del problema e simulazioni 2D preliminari CP: simulazioni fluidodinamiche per i dissipatori ad acqua CP: analisi termica a livello sistema CP: simulazioni a livello componente (e tecnologia schede) CP: definizione layout modulo CP: progettazione termica trasformatore planare CP: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore CSPOL: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore 37

38 Progetto termico del trasformatore planare Modello termico 3D FE della struttura: - Perdite nel rame e nel ferro estratte da misure su un trasformatore di prova costruito ad-hoc - Messa a punto del modello mediante fitting di misure termiche IR Valutazione degli effetti di f and I out sulla distribuzione della temperatura, per fissare i limiti del funzionamento affidabile Progettazione di strutture alternative (layout, materiali, soluzioni per lo smaltimento del calore, ecc.) per ottimizzare il thermal management 38

39 Il trasformatore planare di prova Specifiche finali Convertitore DC-DC phase-shift 1.5 kw 100 khz 280V / 12V Case chiuso Raffreddamento ad acqua Nucleo Kool-mu Trasformatore semplificato per la messa a punto del modello: Nucleo E+I 24 avvolgimenti a (6 PCB), 1 a secondario (2 PCB) Strati termici siliconici tra le PCB 39

40 Misure elettriche P P Cu1 Cu 2 R R DC1 DC2 I I 2 1rms 2 2rms 1 0 f f = 20 khz = 470 m t = 35 m P core = P in P out P Cu1 P Cu2 40

41 Misure termiche Termocamera IR FLIR A325 controllata da PC Calibrazione preliminare della camera con termocoppie Verniciatura nera delle superfici (E 1) T amb = 28 C V 1rms = 120 V I 1rms = 2.1 A P in = 43 W P out = 25.7 W P Cu1 = 7.3 W P Cu2 = 3.9 W P core = 6.1 W Nessuna informazione sulle temperature interne T surf = 74 C 41

42 Modello FE del trasformatore di prova Piani di simmetria ¼ di struttura COMSOL Multiphysics Trascurato il gradiente di T verticale negli strati sottili (piste da 35 m) piste modellate in 2D Perdite inserite per unità di area nelle piste e per unità di volume nel nucleo Legge di Fourier per la conduzione Legge di Newton per le condizioni al contorno convettive: q = h (T T ref ) h è un coefficiente che descrive l efficienza di scambio termico [W/(m 2 K)] T ref è la temperatura dell aria dove i moti convettivi sono trascurabili (= T amb ) 42

43 Simulazioni termiche: f = 20 khz I out = 6 A Simulazione nelle stesse condizioni della misura: T amb = 28 C P Cu1 = 7.3 W P Cu2 = 3.9 W P core = 6.1 W natural convection Parametro di fitting: h = 14 W/(m 2 K)] regioni più calde T core,meas = 74 C T core,sim = 75 C T windings,sim = 85 C 43

44 Simulazioni termiche: I out = 6 A, f max =? Dipendenza da f delle perdite nel nucleo fornita dal costruttore Simulazione parametrica variando f fino a che: T max = 100 C: f = 30 khz P core = 11.3 W = 384 m P Cu1 & P Cu2 invariate 44

45 Simulazioni termiche: f = 20 khz, I out,max =? Simulazione parametrica variando I out fino a che: T max = 100 C: I out = 8 A P Cu2 = 7 W Trascurate le variazioni di P Cu1 & P core (caso ottimale) 45

46 Ottimizzazione del trasformatore: gap filler Il trasformatore è collegato al baseplate da un gap filler siliconico 10 mm silicone gap filler k = 3 W/(mK) (per evitare correnti parassite nel baseplate) T = T amb = 28 C 46

47 Effetto del gap filler Miglioramento dello smaltimento del calore dal nucleo ammesso l incremento di f Stessa I out = 6 A Simulazione parametrica variando f fino a che: T max = 100 C: f = 100 khz P core = 65.3 W = 210 m P Cu1 & P Cu2 invariate 47

48 Ottimizzazione del trasformatore: strati termici Strati termici di rame isolati tra gli avvolgimenti di primario e secondario connessi al baseplate da un ponte metallico (viti) Strati termici in rame T = T amb = 28 C ponte metallico 48

49 Effetto degli strati termici Miglioramento dello smaltimento del calore dagli avvolgimenti ammesso l incremento di I out Stessa f = 20 khz Simulazione parametrica variando I out fino a che: T max = 100 C: I out = 17.3 A P Cu2 = 32.9 W P Cu1 & P core invariate 49

50 Progetto finale: gap filler + strati termici Il gap filler in silicone estrae il calore generato nel nucleo Gli strati termici in rame abbassano T negli avvolgimenti Strati termici in rame 10 mm silicone gap filler k = 3 W/(mK) T = T amb = 28 C ponte metallico 50

51 Effetto combinato di gap filler e strati termici Sia frequenza che corrente di carico possono essere incrementate Esempio: fissando f = 100 khz I out può essere aumentata fino a che: T max = 100 C: I out = 15.5 A P Cu2 = 26.4 W P core = 65.3 W 51

52 Sommario Introduzione CP: definizione del problema e simulazioni 2D preliminari CP: simulazioni fluidodinamiche per i dissipatori ad acqua CP: analisi termica a livello sistema CP: simulazioni a livello componente (e tecnologia schede) CP: definizione layout modulo CP: progettazione termica trasformatore planare CP: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore CSPOL: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore 52

53 Il dimostratore del CP CP con di dissipatore ad alette e ventole di raffreddamento Lato secondario Trasformatore e alimentatore ausiliario Lato primario Baseplate d alluminio Ventole Dissipatore alettato 53

54 Modello MOSFET in TO247 definizione geometrie misure termiche modello completo mod. semplif. 54

55 Modello diodo in ISOTOP misure termiche modello completo modello semplificato 55

56 Modello trasformatore definizione geometrie e materiali simulazione termica creazione mesh 56

57 Modello semplificato lato primario 57

58 Modello semplificato lato secondario 58

59 Modello semplificato zona trasformatore 59

60 Modello alimentatore ausiliario Vite Schede FR4 Trasformatore MOSFET TO247 Piastra IMS MOSFET D2PAK Driver Resistenze 60

61 Geometria FE complessiva e meshing Mesh tetraedrica con gradi di libertà 61

62 Modello termico FE del dimostratore del CP Rif. P Componente D N [W] MOSFET a primario 1 (TO247) 5 2 Trasformatore planare - Nucleo Trasformatore planare - Avvolgimenti 65 4 Doppio Diodo (ISOTOP) 35 5 Induttore 5 6 Piste di rame a secondario 5 7 MOSFET Ausiliario (TO247) 0,1 8 Trasformatore Ausiliario- Nucleo 0,5 9 Trasformatore Ausiliario- Avvolgimenti 0,5 10 MOSFET Ausiliario (D2PAK) 0,5 11 Condensatori <0,1 Potenza totale dissipata

63 Simulazione termica CP Temperature massime nel trasformatore, comunque accettabili (considerando che T amb = 28 C) 63

64 Trasformatore: aggiunta del gap filler 1) 3) 2) 4) 64

65 Confronto misure-simulazioni termiche Aria forzata anziché dissipatore ad acqua P out = 1.2 kw (I out 100 A) 65

66 Confronto misure-simulazioni termiche (II) Punto di Misura ΔT SIM ΔT MIS ε [%] [ C] [ C] Nucleo Avvolgimenti primario Avvolgimenti secondario Diodi ISOTOP Induttore

67 Sommario Introduzione CP: definizione del problema e simulazioni 2D preliminari CP: simulazioni fluidodinamiche per i dissipatori ad acqua CP: analisi termica a livello sistema CP: simulazioni a livello componente (e tecnologia schede) CP: definizione layout modulo CP: progettazione termica trasformatore planare CP: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore CSPOL: simulazione e caratterizzazione termica del dimostratore 67

68 Il dimostratore del CSPOL V in = 12 V, V out = 2 V, I out = 20 A Modello FEM del dimostratore CSPOL: vista dal basso Foto del dimostratore durante le misure termiche 68

69 Simulazioni termiche POL Potenze dissipate: Da misure elettriche: Carico [Ω] V in [V] I in [A] P out [W] P d [W] 0, ,74 5,97 2,90 0, ,29 12,43 3,04 0, ,7 37,38 7,01 69

70 Caratterizzazione termica del CSPOL T amb =25 C 70

71 Risultati simulazioni termiche CSPOL Potenze dissipate: 71

72 Confronto misure-simulazioni termiche CSPOL 72

73 Pubblicazioni Riviste internazionali 1. P. Cova, N. Delmonte, R Menozzi, Thermal modeling of high frequency DC DC switching modules: Electromagnetic and thermal simulation of magnetic components, Microelectronics Reliability, vol. 48; pp , M. Bernardoni, P. Cova, N. Delmonte, R. Menozzi, Heat management for power converters in sealed enclosures: A numerical study, Microelectronics Reliability, vol. 49; pp , 3. M. Bernardoni, N. Delmonte, P. Cova, R. Menozzi, Thermal modeling of planar transformer for switching power converters, Microelectronics Reliability, vol. 50, pp , Conferenze internazionali 4. F. Bertoluzza, G. Sozzi, N. Delmonte, R. Menozzi, Lumped element thermal modeling of GaNbased HEMTs, Proc IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., pp , Jun N. Delmonte, M. Bernardoni, P. Cova, R. Menozzi, Thermal design of power electronic devices and modules, Proc. COMSOL Conference 2009, Milano, Oct , P. Cova, M. Bernardoni, A MATLAB based approach for electro-thermal design of power converters, Proc. 6 th International Conference on Integrated Power Electronics Systems (CIPS 2010), pp , Nuremberg (GERMANY), Mar , M. Bernardoni, N. Delmonte, P. Cova, R. Menozzi, Self-consistent compact electrical and thermal modeling of power devices including package and heat-sink Proc. 20 th International Symposium on Power Electronics (SPEEDAM 2010), pp , Pisa, Jun ,

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