Рекомендации по монтажу гибридных конвертеров

4 Рекомендации по монтажу гибридных конвертеров

При производстве гибридных DC/DC конверторов применяются бескорпусные компоненты. Отсутствие промежуточных корпусов позволило значительно уменьшить размеры конвертеров. Все компоненты смонтированы на керамической подложке, которая плотно посажена на металлическое основание корпуса.
Как известно, тепловая энергия может передаваться путем кондукции (распространение тепла через твердый материал), конвекции (передача тепла окружающему воздуху) и излучения. В отличие от многих мощных источников питания, гибридные DC/DC конвертеры рассчитаны на кондукционное охлаждение. То есть конвертер конструируется так, чтобы выделяющееся при его работе тепло удалялось через металлическое основание корпуса, которое выполняет роль теплоотвода.
Какое количество тепла рассеивает DC/DC конвертер? Это легко вычислить путем деления входной мощности на величину КПД и последующего вычитания входной мощности из полученного результата. Рассеиваемая конвертером мощность может увеличиваться в режимах короткого замыкания или перегрузки. Величина КПД в режиме малой нагрузки может снижаться относительно его значения при номинальной выходной мощности.


Рисунок 17 — Для специальных применений MDI выпускает несколько типов
монтажных скоб

Параметры DC/DC конвертеров нормированы для различных значений температуры основания корпуса. Пользователь должен следить за тем, чтобы температура основания корпуса конвертера не превысила нормированной величины. Рассеиваемая компонентами тепловая энергия сконцентрирована в нескольких небольших областях, однако толщина подложки и корпуса позволяет распределить тепло по всей площади основания гибридного конвертера. Для того, чтобы получить максимальный выигрыш от применения конвертера, или обеспечить максимальную надежность, температуру поверхности, на которой смонтирован конвертер, необходимо удерживать в пределах нормированных границ.
Если толщина теплоотвода под гибридным конвертером слишком мала, то область под основанием корпуса конвертера будет перегреваться. Кроме того, слишком тонкий теплоотвод не может эффективно отводить тепло в стороны – в области, не лежащие непосредственно под DC/DC конвертером. Иногда толщина теплоотвода слишком велика, что затрудняет процесс монтажа проводников к выводам конвертера. В таких случаях необходимо рассверливать отверстия под выводы в теплоотводе до необходимого диаметра.

4.1 Характерные ошибки

4.1.1 Включение DC/DC конвертера без теплоотвода

Это является обычной практикой при проведении входного контроля. Из-за малой теплоемкости гибридных DC/DC конвертеров, их температура очень быстро нарастает и может превысить допустимую величину.

4.1.2 Использование платы печатного монтажа в качестве теплоотвода

Как сама печатная плата, так и медные проводники на ее поверхности проводят тепло, однако их тепловое сопротивление может оказаться очень высоким. Существуют специальные типы печатных плат, которые обладают повышенной теплопроводностью. Поэтому не следует пытаться использовать обычную печатную плату в качестве теплопроводящего элемента без вычисления теплового сопротивления пути от основания конвертера до радиатора охлаждения.

4.1.3 Организация теплоотвода от верхней поверхности корпуса

Верхняя крышка корпуса конвертера обычно имеет малую толщину и крепится к основанию лишь по периметру. Поэтому, хотя тепло и распространяется от основания на крышку, тепловое сопротивление при этом весьма далеко от оптимальной величины. Результатом является неэффективное использование конвертера, за исключением случая очень низкого уровня выходной мощности.

4.1.4 Применение теплоотвода с недостаточной площадью, либо толщиной

В таких случаях наблюдается слишком большая разница температур между основанием конвертера и основным радиатором, поскольку тепловое сопротивление чрезмерно велико и температура возрастает вдоль теплоотвода. Поэтому конвертер работает при неприемлемо высокой температуре основания.

4.1.5 Организация охлаждения за счет конвекции или излучения в условиях вакуума

Приведем для иллюстрации следующий анекдотичный случай. Один из пользователей смонтировал DC/DC конвертер на печатной плате для использования ее в космосе. Печатная плата была установлена в космический аппарат и длительное время подвергалась тестированию. Конвертер работал идеально до тех пор, пока пользователь не провел температурно-вакуумный тест. Конвертер отказал. Аппарат был разобран и подвергся проверке. Как оказалось, конвертер разрушился под действием чрезвычайно высоких температур. При работе в условиях нормального атмосферного давления конвертер до некоторой степени охлаждался за счет свободной конвекции воздуха. Когда же в процессе проведения вакуумного теста атмосферный воздух был откачан, конвекция прекратилась и конвертер перегрелся.
В применениях, касающихся высотной авиации, где количество пригодного для свободной конвекции воздуха практически равно нулю, любая теплопередача должна быть организована в соответствии с правилами кондукционного охлаждения.

4.1.6 Контроль температуры монтажной поверхности

Степень нагрева основания DC/DC конвертера является контролируемым параметром, необходимым для определения температуры внутренних компонентов. Совершенно неправильными являются попытки контролировать температуру нагрева монтажной поверхности вместо температуры основания DC/DC конвертера
. Более того, поскольку тепловой поток от DC/DC конвертера распространяется через расположенный снизу теплоотвод, температура последнего имеет тенденцию к увеличению, что обусловлено флуктуациями теплового потока. Это следует учитывать при анализе.

4.1.7 Монтаж мощного конвертера на неровную поверхность

Поверхность основания гибридного DC/DC конвертера, как и расположенная под ним поверхность монтажа всегда имеют некоторые неровности. Поэтому, как правило, основание конвертера контактирует с монтажной поверхностью лишь в нескольких точках, что ведет к повышению теплового сопротивления. Чтобы исправить эту ситуацию, необходимо устранить зоны прерывания теплопередачи, заполняя их теплопроводящим наполнителем. В качестве наполнителя может выступать паста с высокой теплопроводностью, или прокладка из силиконовой резины с высокой теплопроводностью. Корпус DC/DC конвертера обычно электрически изолирован от его внутренних цепей, поэтому наполнитель не обязательно должен обладать электроизоляционными свойствами. Слой наполнителя должен быть как можно более тонким, но в то же время достаточным для заполнения всех неровностей. Избыточная толщина приведет к повышению температуры конвертера.
При затяжке винтовых соединений в процессе крепления конвертера к охлаждающей поверхности необходимо обеспечить соответствующее давление, чтобы минимизировать тепловое сопротивление между конвертером и монтажной поверхностью.
Задача обеспечения безопасной температуры нижней монтажной поверхности конвертера целиком и полностью возложена на пользователя.