El convertidor CC/CC y la carga deben considerarse como un único sistema térmico.
Considerando el convertidor CC/CC y la carga en conjunto, la refrigeración puede lograrse mediante diversas técnicas, desde la simple convección de aire hasta paredes frías e inmersión en fluido. Sin embargo, en aplicaciones comerciales e industriales donde el costo es un factor crítico, generalmente se utiliza aire forzado. No obstante, a menudo no hay espacio para instalar un disipador de calor en el convertidor CC/CC, por lo que la superficie de la que se disipa el calor mediante el flujo de aire es limitada. Por lo tanto, es común recurrir a la transferencia de calor a través de los pines del convertidor a la placa de circuito impreso, la cual, de todos modos, cuenta con pistas de cobre anchas para soportar las altas corrientes habituales. El flujo de aire transfiere entonces el calor del convertidor CC/CC a la superficie de la placa de circuito impreso, que también podría calentarse por otros componentes.
Las cosas serían relativamente sencillas si la disipación de calor en la carga y los convertidores de potencia fuera constante, pero los sistemas modernos de procesamiento de datos reducen la velocidad y aceleran las tareas para hacer un uso eficiente de la capacidad de procesamiento y minimizar el consumo de energía promedio.
Los rieles de voltaje se "escalan dinámicamente" para lograr esto, de modo que los convertidores CC/CC no solo experimentan una amplia variación en las cargas, sino también en otras condiciones de funcionamiento: voltajes de entrada y salida y temperatura del aire. Estas variaciones, a su vez, afectan la eficiencia del convertidor, cambiando los niveles de calor que se deben disipar. En los sistemas más "ajustados con precisión", no se espera que las cargas máximas sean térmicamente sostenibles durante períodos prolongados sin exceder las temperaturas internas máximas de los componentes, por lo que tanto la carga como el convertidor CC/CC se caracterizan típicamente con una clasificación de carga continua y máxima, que debe monitorearse cuidadosamente para no exceder las temperaturas críticas. Módulos de potencia Flex‘ BMR491 serie (Figura 1) es un ejemplo de un producto con una potencia nominal de 1540 W como límite térmico, pero con una potencia máxima de 2450 W durante un tiempo limitado, dependiendo de la temperatura inicial.
Figura 1: Un convertidor CC/CC con alta capacidad de potencia pico a continua — BMR491
La simulación es el camino a seguir.
Es comprensible que, con todas las variables que interactúan, los métodos analíticos tradicionales para predecir las temperaturas críticas en los componentes no sean prácticos y la simulación sea el camino a seguir.
Figura 2: Captura de pantalla de ejemplo de la herramienta Flex Power Designer que muestra, en este caso, la temperatura del punto caliente del módulo CC/CC en función del caudal de aire.
Para obtener resultados precisos, se deben conocer las características eléctricas y térmicas del convertidor CC/CC, y esto lo proporciona el Diseñador de energía Flex Herramienta para los convertidores CC/CC de la empresa. El software permite configurar un sistema mediante menús desplegables y calcula la eficiencia de cada dispositivo y del sistema, la potencia disipada y la temperatura del punto caliente a partir de las condiciones especificadas por el usuario.
En concreto, el caudal de aire se puede definir junto con la temperatura del aire, el grosor de la placa de circuito impreso, la cobertura de cobre y su temperatura máxima permitida, que a menudo será un factor limitante. Véase la captura de pantalla de ejemplo. Figura 2. La herramienta tiene en cuenta cómo cambia la eficiencia del dispositivo a diferentes temperaturas a partir de datos de prueba establecidos y actualizará los resultados "sobre la marcha".
Capacidad de visualización en 3D
Si bien la herramienta de simulación muestra resultados reales en condiciones específicas, las hojas de datos también proporcionan gráficos tradicionales de reducción de potencia, por ejemplo, con la temperatura del aire y el caudal.
Para ello, deben hacerse suposiciones sobre el tamaño y las características de cualquier disipador de calor y PCB conectados, así como la dirección del flujo de aire. Para una indicación más precisa, los módulos de potencia Flex van un paso más allá con representaciones '3D' de la reducción de potencia con temperaturas de placa base y pines especificadas (Figura 3A partir de los datos de calificación, los módulos de potencia Flex también han caracterizado con precisión sus componentes en cuanto a la relación entre estos puntos calientes interactivos y las temperaturas máximas de unión permitidas, de modo que los usuarios puedan tener la seguridad de que, si no se superan estos valores a la potencia dada, se logra la máxima utilización del componente sin un estrés excesivo.
Figura 3: Un gráfico típico de reducción de potencia en 3D para un dispositivo de su serie BMR491.
Integración de la simulación térmica CC/CC con otros componentes.
Aunque los convertidores CC/CC pueden ser una fuente importante de calor en una placa de circuito impreso (PCB), otros componentes también contribuyen, especialmente aquellos que actúan como cargas en el convertidor. Su interacción total se puede simular en programas como FloTherm. Flex Power Modules ofrece modelos CAD para sus convertidores CC/CC en formato STEP, que se pueden importar a FloTherm mediante el puente FloEDA para una simulación térmica completa del sistema. Los modelos están detallados minuciosamente e incluyen los elementos que generan calor y las características de cada capa de la PCB del convertidor CC/CC, incluyendo el dieléctrico y las vías. Flex Power Modules proporciona la potencia disipada por cada fuente de calor bajo diversas condiciones de funcionamiento y define los puntos de monitorización de temperatura. Como verificación, el modelo de FloTherm para convertidores CC/CC se calibra con pruebas en túnel de viento, de modo que los aumentos de temperatura simulados suelen estar dentro de los 2 °C de los valores medidos.
Efectos de carga máxima
Muchos de los convertidores CC/CC de los módulos de potencia Flex tienen una capacidad de carga máxima, por ejemplo su BMR313 Serie, con una potencia nominal de 1 kW continuo y 3 kW pico. Con una carga transitoria corta, se permite que la temperatura de la unión del dispositivo alcance su valor nominal máximo, típicamente 150 °C o 175 °C, y la duración permitida viene determinada por la capacitancia térmica local de los dispositivos de potencia.
Figura 4: Esquema de protección continua, de pico y de pico transitorio del BMR313
Las herramientas disponibles para evitar el sobrecalentamiento del dispositivo se basan en sensores de temperatura locales y mediciones de corriente, según el valor de la carga máxima. Por ejemplo, en el caso del BMR313, una sobrecarga de 3,4 kW o superior provoca un apagado rápido del hardware en cuestión de microsegundos, generando una señal de "Fallo de hardware".
Por encima de 2,6 kW, se activa un sistema de apagado temporizado por hardware más lento, que tarda uno o dos milisegundos en activarse con una señal de "OC-FAULT". Hasta 1,8 kW, el apagado se basa en la temperatura y se genera una señal de alerta en un pin específico, solicitando a la carga que reduzca la potencia si es posible. Figura 4 Muestra los niveles y los tiempos.
Las temperaturas reales de unión alcanzadas durante los picos de potencia dependen, naturalmente, del punto de partida, y la potencia máxima disponible con un funcionamiento seguro se puede lograr estimando la temperatura a partir de los niveles de corriente y las características conocidas del dispositivo. Esto se implementa, por ejemplo, en el producto BMR350, donde se monitoriza la corriente y la señal se filtra mediante un método de media móvil exponencial (EMA). Este método se puede ampliar con un esquema de EMA dual con diferentes ponderaciones para simular, además, los efectos de los periodos de enfriamiento variables entre los pulsos de carga máxima.
Un conjunto completo de herramientas de diseño para un rendimiento máximo y una tensión mínima.
La combinación del software Flex Power Designer, los modelos FloTherm y la protección de hardware proporciona un conjunto de herramientas que permite el diseño, modelado y monitorización rápidos y eficientes de sistemas complejos de conversión de energía. Al elegir módulos de la gama Flex Power Modules, el rendimiento térmico se puede optimizar a nivel de convertidor CC/CC y de sistema para minimizar el estrés térmico y lograr la máxima densidad de potencia y valor.
