Wydział Elektryczny WE

Projekt nr 2011/01/B/ST7/06740

Globalny skupiony nieliniowy model termiczny elementu półprzewodnikowego do analizy układów elektronicznych

Kierownik Projektu: prof. dr hab. inż. Janusz Andrzej Zarębski

Problem skutecznego odprowadzania ciepła wydzielonego w przyrządach półprzewodnikowych jest bardzo ważny, ponieważ stanowi on obecnie istotne ograniczenie możliwości minimalizacji rozmiarów geometrycznych urządzeń elektronicznych, jak również ogranicza stopień integracji monolitycznych układów scalonych. Na etapie projektowania układów elektronicznych wykorzystuje się powszechnie narzędzia symulacyjne, tzn. programy komputerowe wraz z odpowiednimi modelami wszystkich elementów projektowanego układu. Uwzględnienie wpływu zjawisk cieplnych wymaga zastosowania dodatkowo modeli termicznych, opisujących zależność temperatury wnętrza przyrządu od wydzielanej w nim mocy. Istotnym problemem, który musi rozwiązać konstruktor urządzenia elektronicznego jest zaprojektowanie systemu chłodzenia przyrządów półprzewodnikowych wchodzących w skład tego urządzenia. System ten ma z jednej strony zagwarantować ograniczenie wartości temperatury wnętrza takiego przyrządu do zadanej wartości maksymalnej, a jednocześnie charakteryzować się małymi rozmiarami i niskim kosztem. Celem naukowym projektu było opracowanie postaci globalnego skupionego nieliniowego modelu termicznego przyrządów półprzewodnikowych z uwzględnieniem wszystkich dróg przepływu ciepła generowanego w przyrządzie do otoczenia i metody wyznaczania wartości parametrów tego modelu.

W wyniku realizacji projektu:

1. Zaprojektowano i skonstruowano systemy pomiarowe do:
   • wyznaczania parametrów cieplnych materiałów wykorzystywanych do konstrukcji urządzeń elektronicznych,
   • pomiaru przejściowej impedancji termicznej przyrządów półprzewodnikowych.
2. Wykonano pomiary parametrów cieplnych wybranych materiałów.
3. Wykonano pomiary przejœciowej impedancji termicznej wybranych przyrządów półprzewodnikowych uwzględniając: różne typy obudów badanych przyrządów, różne rozmiary pól lutowniczych, różne rozmiary radiatorów, wpływ zastosowania ogniwa Peltiera i mocy jego zasilania, materiał oraz rozmiary geometryczne obudowy, w której umieszczono badany element półprzewodnikowy.
4. Sformułowano zależności analityczne opisujące zależnoœć rezystancji termicznej elementu półprzewodnikowego od takich czynników jak: typ obudowy badanego przyrządu, rozmiary pól lutowniczych, długoœć wyprowadzeń, temperatura otoczenia, rozmiary radiatorów, moc zasilania ogniwa Peltiera, materiał oraz rozmiary geometryczne obudowy, w której umieszczono badany element półprzewodnikowy.
5. Sformułowano globalny nieliniowy model termiczny przyrządu półprzewodnikowego wraz z elementami jego systemu chłodzenia.
6. Wyznaczono wartoœci parametrów modelu termicznego przyrządów półprzewodnikowych pracujących przy różnych warunkach chłodzenia.
7. Opracowano analog obwodowy nieliniowego modelu termicznego przyrządu półprzewodnikowego dla programu SPICE i przeprowadzono obliczenia testowe.

Poprawność sformułowanego modelu została zweryfikowana dla wybranych przyrządów półprzewodnikowych współpracujących z różnymi systemami chłodzenia modelowanego przyrządu. Weryfikacja obejmowała estymację wartości parametrów modelu, implementację tego modelu w programie SPICE, wykonanie obliczeń temperatury wnętrza rozważanego przyrządu półprzewodnikowego przy pobudzeniu tego przyrządu uskokiem mocy o określonej wartości oraz zmierzeniu tej temperatury w warunkach odpowiadających warunkom przyjętym przy symulacji. Realizacja projektu pozwoliła na ilościowe scharakteryzowanie zjawisk odpowiedzialnych za chłodzenie przyrządów półprzewodnikowych. Sformułowany model umożliwi optymalizację konstrukcji systemu chłodzenia tych przyrządów oraz umożliwi opracowanie narzędzi komputerowych wspomagających proces projektowania takiego systemu. Wyniki pracy będą przydatne dla projektantów układów elektronicznych i energoelektronicznych, ułatwiając im projektowanie systemów chodzenia przyrządów półprzewodnikowych. Uzyskane rezultaty będą przydatne także w dydaktyce do zilustrowania wpływu poszczególnych elementów systemu chłodzenia przyrządu półprzewodnikowego na przejściową impedancję termiczną tego przyrządu lub na przebieg temperatury jego wnętrza przy znanym przebiegu wydzielanej w nim mocy. Trwałym efektem realizacji projektu, który będzie mógł być wykorzystywany w dalszych pracach badawczych są systemy pomiarowe do wyznaczania parametrów cieplnych materiałów stosowanych w urządzeniach elektronicznych oraz parametrów cieplnych przyrządów półprzewodnikowych.

Projekt nr 2011/01/B/ST7/06738

Tytuł: Elektrotermiczne modele elementów indukcyjnych dla programu SPICE dedykowane do analizy układów impulsowego przetwarzania energii elektrycznej

Kierownik projektu dr hab. inż. Krzysztof Górecki, prof. nadzw. AMG

Elementy indukcyjne, tzn. dławiki i transformatory są ważnym składnikiem przetwornic dc-dc. Elementy te zawierają rdzenie ferromagnetyczne, których właściwości wpływają na charakterystyki tych elementów oraz, w konsekwencji, na właściwości układów z tymi elementami. W szczególności, materiały ferromagnetyczne wykorzystywane do konstrukcji rdzeni, np. stopy żelaza z krzemem lub z niklem, ferryty, czy też materiały nanokrystaliczne wykazują różne wartości takich parametrów dopuszczalnych jak indukcja nasycenia, stratność, przenikalność początkowa oraz temperatura Curie. Wymienione parametry, z wyjątkiem temperatury Curie, są uzależnione od temperatury. Charakter tej zależności jest cechą wybranego materiału. Jak wynika z badań wnioskodawców najsilniej temperatura wpływa na parametry rdzeni ferrytowych, a najsłabiej - na parametry rdzeni proszkowych. Temperatura rdzenia stanowi sumę temperatury otoczenia Ta oraz przyrostu temperatury ?T spowodowanego przez zjawiska cieplne, czyli samonagrzewanie i wzajemne sprzężenia termiczne między rdzeniem a uzwojeniami elementu magnetycznego. W celu uwzględnienia w analizach komputerowych wpływu zjawisk cieplnych na właściwości elementów i układów elektronicznych oraz energoelektronicznych niezbędne są specjalne modele elektrotermiczne wszystkich elementów składowych analizowanego układu oraz specjalne algorytmy obliczeniowe. Obecnie standardowym narzędziem do analizy komputerowej układów elektronicznych i energoelektronicznych jest program SPICE. We wcześniejszych pracach wykonawców, zaproponowano elektrotermiczne modele półprzewodnikowych elementów kluczujących (diod i tranzystorów) oraz monolitycznych układów sterujących dla programu SPICE. W czasie realizacji tego projektu wykazano, że nieliniowości elementów indukcyjnych istotnie wpływają na charakterystyki przetwornic dc-dc w zakresie małych oraz dużych prądów płynących przez te elementy, a zjawisko samonagrzewania w istotny sposób wpływa na nieliniowości charakterystyk przetwornic dc-dc. W literaturze występuje wiele modeli elementów indukcyjnych, które jednak w większości nie uwzględniają wpływu temperatury otoczenia ani zjawiska samonagrzewania na charakterystyki tych elementów. Znane są również mikroskopowe modele rdzeni ferromagnetycznych umożliwiające wyznaczanie czasowo-przestrzennych rozkładów wielkości magnetycznych w rdzeniu oraz rozkładów temperatury. Jednak wysoki stopień złożoności tych modeli praktycznie uniemożliwia zastosowanie ich przy analizie układów elektronicznych ze względu na problemy związane ze zbieżnością i czasem obliczeń. W ramach realizacji projektu opracowano nowe elektrotermiczne modele elementów indukcyjnych, dedykowane do analizy przetwornic dc-dc z wykorzystaniem programu SPICE, uwzględniające nieliniowości i inercję tych elementów oraz samonagrzewanie i wzajemne sprzężenia cieplne między rdzeniem a uzwojeniami. Poprawność opracowanych modeli wykazano doświadczalnie dla dławików i transformatorów z rdzeniami ferrytowymi, proszkowymi i nanokrystalicznymi o różnych wymiarach i różnej liczbie zwojów w uzwojeniach poprzez porównanie obliczonych i zmierzonych charakterystyk tych elementów. Charakterystyki te wyznaczono w szerokim zakresie zmian prądu i częstotliwości. Oprócz napięć i prądów zaciskowych rozważanych elementów, opracowane modele umożliwiają również wyznaczenie wartości natężenia pola magnetycznego i indukcji w rdzeniu oraz temperatury rdzenia i uzwojeń. Użyteczność opracowanych modeli zapewniają autorskie algorytmy estymacji wartości parametrów tych modeli, bazujące na danych podawanych przez producentów rdzeni ferromagnetycznych oraz parametrów geometrycznych uzwojeń. W ramach projektu opracowano również metodę wyznaczania wartości parametrów cieplnych dławika i transformatora. W celu wykazania praktycznej użyteczności opracowanych modeli do analizy przetwornic dc-dc, skonstruowano wybrane dławikowe i transformatorowe przetwornice dc-dc z różnymi rodzajami rdzeni w dławikach i transformatorach, a następnie obliczono i zmierzono charakterystyki skonstruowanych przetwornic w szerokim zakresie zmian prądu obciążenia oraz częstotliwości sygnału sterującego. Uzyskano dobrą zgodność obliczonych i zmierzonych charakterystyk. Uzyskiwane za pomocą klasycznej metody analizy stanów przejściowych charakterystyki przetwornic wymagają czasochłonnych obliczeń. Aby skrócić czas niezbędnych obliczeń opracowano uśredniony elektrotermiczny model dławika, umożliwiający wyznaczenie charakterystyk przetwornic w stanie ustalonym przy wykorzystaniu analizy stałoprądowej. Model ten uwzględnia nieliniowość charakterystyki dławika oraz zjawiska cieplne zachodzące w tym elemencie. Opracowane modele będą przydatne dla projektantów przetwornic dc-dc oraz będą mogły być wykorzystywane dla zilustrowania wpływu wybranych parametrów modeli elementów indukcyjnych na charakterystyki wybranych przetwornic dc-dc.