АДАПТИВНЫЙ ОХЛАЖДАЮЩИЙ БЛОК МОЩНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО УСТРОЙСТВА
ADAPTIVE COOLING ASSEMBLY FOR POWER SEMICONDUCTOR DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Группа изобретений относится к охлаждающему блоку мощного полупроводникового устройства для охлаждения мощного полупроводникового устройства, к системе обследования с помощью ядерного магнитного резонанса, содержащей охлаждающий блок мощного полупроводникового устройства, к способу работы охлаждающего блока мощного полупроводникового устройства и к компьютерному программному продукту.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Обычно мощные полупроводниковые устройства устанавливают на больших теплоотводах с использованием или без дополнительных охлаждающих средств, таких как вентиляторное охлаждение или жидкостное охлаждение. Мощные полупроводниковые устройства являются полупроводниковыми устройствами, использующимися в качестве переключателей или выпрямителей в мощных электронных схемах. Примерами являются мощные диоды, тиристоры, БТИЗ (биполярные транзисторы с изолированным затвором) и мощные МОП-транзисторы.
Теплоотводы, с применением или без дополнительных охлаждающих средств, сконструированы таким образом, что в случае полной потребляемой мощности температура мощного полупроводникового устройства остается ниже абсолютного максимума, определенного в его спецификации. В случае если потребление электроэнергии сокращается или прекращается, система охлаждения сохраняет теплообмен на том же уровне, как при полной мощности, что приводит к очень быстрому понижению температуры всей охлаждающей системы, а именно теплоотвода и установленных на нем компонентов. В случае если потребляемая мощность вновь возрастает, температура также будет снова возрастать. Если мощное полупроводниковое устройство повторно используется в режиме максимальной мощности, изменяемой с короткими интервалами, во время которых не требуется или требуется только низкая мощность, то температура мощного полупроводникового устройства будет изменяться между периодами потребления полной мощности, во время которых температура будет увеличиваться до максимального значения, и периодами низкой потребляемой мощности или отсутствия потребляемой мощности, во время которых температура устройства будет быстро уменьшаться благодаря охлаждающей способности применяемого теплоотвода и системе охлаждения, при ее наличии. Таким образом, устройство, возможно, будет испытывать значительные температурные колебания.
Например, патент США US 6116040 раскрывает устройство для охлаждения электронных компонентов http://multitran.ru/c/m.exe?t=2423684_2_1а, связанных с холодильным компрессором. При помощи привода компрессора температура мощных электронных устройств поддерживается в желаемом температурном диапазоне.
Срок эксплуатации полупроводниковых устройств определяется несколькими процессами, каждый из которых приводит с течением времени к ухудшению предполагаемых характеристик устройства вплоть до полного выхода устройства из строя. Для мощных полупроводниковых устройств одним из наиболее важных процессов является механическое напряжение, вызванное циклическим температурным воздействием. Вследствие ограниченного теплового сопротивления между полупроводниковым кристаллом и основой, на которой он установлен, и различий в коэффициентах теплового расширения задействованных материалов, изменения мощности рассеивания с течением времени неизбежно приводят к температурным напряжениям. Указанные напряжения могут привести к усталости материала, проявляющейся в разрыве соединительных проводов и/или в ухудшении паяного соединения между кристаллом и основой, на которой он установлен.
Разрыв соединительного провода может привести или к полному выходу из строя устройства, или к дополнительному увеличению напряжения на других соединительных проводах в случае, когда многочисленные соединительные провода соединены параллельно, как часто происходит в случае мощных полупроводниковых модулей.
Поэтому если мощные полупроводниковые устройства повторно используются в режиме максимальной мощности, изменяемой с интервалами, во время которых мощность не потребляется или потребляется низкая мощность, то температура таких мощных устройств, даже если они закреплены на больших теплоотводах с применением или без применения дополнительных охлаждающих средств, значительно меняется между периодами максимальной потребляемой мощности. Как следствие, кристалл будет испытывать большие температурные колебания, которые будут уменьшать срок эксплуатации мощного полупроводникового устройства.
Патент US 5569650 относится к охлаждающему устройству интегральной схемы и более конкретно к устройству, которое обеспечивает активное охлаждение, чтобы уменьшить температурные колебания интегральных схем, что будет ограничивать термическую усталость, увеличит время эксплуатации, предусматривает интегральные схемы большего размера и позволит прикреплять интегральные схемы непосредственно к подложкам с несовпадающими коэффициентами теплового расширения с меньшим беспокойством относительно надежности. В примере осуществления изобретения интегральная схема прикреплена к подложке, и электротермическое охлаждающее устройство прикреплено к открытой поверхности интегральной схемы. Термочувствительное средство, такое как тонкопленочная термопара, прикрепляется между холодной стороной теплового электротермического охлаждающего (TEC-) устройства и интегральной схемой. Термочувствительное средство альтернативно может быть встроено в интегральную схему или в электронный блок, http://multitran.ru/c/m.exe?t=3496778_2_1 внутренним соединением между TEC-устройством и интегральной схемой. Дополнительно, предусмотрен теплоотвод, который прикреплен к горячей стороне TEC-устройства. Выводные зажимы термопары подсоединяют к цепи управления с обратной связью.
В публикации WO 2005/043618 A раскрыты способ и компоновка применительно к инвертору, который содержит несколько мощных полупроводниковых компонентов и устройство управления, выполненное с возможностью управления ими, причем устройство управления выполнено с возможностью управления мощными полупроводниковыми компонентами в соответствии с http://multitran.ru/c/m.exe?t=1041386_2_1ом управления для генерации выходного напряжения.
Патент US 2005/039465 A1 раскрывает систему охлаждения для звуковой аппаратуры, в которой используют термодатчик и модуль с термоэлектрическим охлаждением в контуре управления с обратной связью. Система охлаждения считывает показатели термодатчика для получения температуры звукового компонента аппаратуры и регулирует возбуждение модуля с термоэлектрическим охлаждением, который охлаждает звуковой компонент для предупреждения перегрева компонента.
Патент DE 10233836 A1 раскрывает электронный блок управления, содержащий корпус, который содержит различные электронные компоненты, где электронные компоненты должны быть приведены в действие при температуре ниже максимальной. Для охлаждения электронных компонентов предоставлен термоэлектрический элемент.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предоставляет охлаждающий блок мощного полупроводникового устройства для охлаждения мощного полупроводникового устройства, в котором блок содержит теплоотвод с активным охлаждением и контроллер, причем контроллер выполнен для динамического регулирования эффективности охлаждения теплоотвода в зависимости от температуры полупроводникового перехода, проводящего большой ток, содержащегося в мощном полупроводниковом устройстве.
Блок обладает тем преимуществом, что срок эксплуатации мощных полупроводниковых устройств существенно возрастает вследствие того, что контроллер способен постоянно регулировать эффективность охлаждения теплоотвода в зависимости от температуры наиболее критичных и склонных к отказу узлов мощного полупроводникового устройства, а именно полупроводникового перехода, проводящего большой ток в мощном полупроводниковом устройстве, которое является источником выделения тепла во время эксплуатации мощного полупроводникового устройства. При помощи охлаждающего блока мощного полупроводникового устройства может быть уменьшено циклическое изменение температуры мощного устройства и особенно полупроводникового перехода, проводящего большой ток, что, как следствие, также будет уменьшать упомянутые температурные напряжения между полупроводниковыми переходами, проводящими большой ток, или в целом, кристалла и основы, на которой закреплены полупроводниковые переходы или кристалл. Данное явление приводит к значительному увеличению срока эксплуатации устройства. Чем меньше амплитуда термического цикла, тем большее число циклов может вынести мощное устройство, и, следовательно, тем больше срок эксплуатации мощного полупроводникового устройства.
Следует отметить, что ключевая особенность настоящего изобретения состоит в том, что эффективность охлаждения теплоотвода регулируется в зависимости от температуры полупроводникового перехода, проводящего большой ток, содержащегося в мощном полупроводниковом устройстве. В случае если, например, предоставлен только охлаждающий блок для поддержания температуры самого теплоотвода в определенном диапазоне, то из-за большой теплоемкости теплоотвода по сравнению с теплоемкостью мощного полупроводникового устройства, теплоотвод достаточно медленно отслеживает изменение температуры полупроводникового перехода, проводящего большой ток, в результате чего в среднем температура теплоотвода может поддерживаться на довольно постоянном уровне, хотя в то же самое время температура полупроводникового перехода, проводящего большой ток, периодически изменяется в большом диапазоне. При помощи адаптивного охлаждающего блока мощного полупроводникового устройства температура критических частей мощного полупроводникового устройства может быть выдержана в определенном температурном диапазоне с весьма высокой точностью, поскольку регулировка эффективности охлаждения теплоотвода выполняется не относительно температуры теплоотвода, а относительно температуры полупроводникового перехода, проводящего большой ток.
В соответствии с примером осуществления изобретения контроллер выполнен для приема сигнала температуры, причем сигнал температуры указывает реальное значение температуры полупроводникового перехода, проводящего большой ток, причем контроллер выполнен с возможностью регулирования эффективности охлаждения теплоотвода, в зависимости от сигнала температуры. Указанное значение температуры представляет собой либо значение, измеренное непосредственно в месте расположения полупроводникового перехода, проводящего большой ток, либо указанное значение представляет собой значение температуры, преобразованное и вычисленное с достаточной точностью на основе других доступных сигналов. Такой сигнал может, например, представлять собой заданный или измеренный уровень выходной мощности мощного полупроводникового устройства или аппарата, в котором он используется.
Иначе говоря, регулировка эффективности охлаждения теплоотвода может быть выполнена либо с помощью контроллера с обратной связью, который использует реальную фактическую температуру полупроводникового перехода, проводящего большой ток, например, измеренную датчиком, логически прикрепленным близко или даже непосредственно к указанному полупроводниковому переходу, либо может быть применен контроллер с упреждением, который осуществляет регулировку эффективности охлаждения теплоотвода с использованием прогнозируемой мощности теплового рассеяния мощного полупроводникового устройства с использованием модели, причем модель выполнена для прогнозирования мощности теплового рассеяния относительно заданного или измеренного уровня выходной мощности мощного полупроводникового устройства. Дополнительной альтернативой является комбинация обоих типов контроллеров, т.е. комбинация контроллера с обратной связью и контроллера с упреждением.
Такая комбинация, в соответствии с примером осуществления изобретения, может содержать модуль выбора, выполненный для выбора между режимом управления с обратной связью и режимом управления с упреждением для регулирования эффективности охлаждения, причем в режиме с обратной связью регулировка эффективности охлаждения выполняется в зависимости от сигнала температуры, а в упреждающем режиме регулировка эффективности охлаждения выполняется в зависимости от заданного или измеренного уровня выходной мощности мощного полупроводникового устройства с использованием модели, причем модуль выбора выполнен для осуществления переключения на основе качественного параметра сигнала температуры.
В соответствии с примером осуществления изобретения также может быть использована комбинация контроллера с обратной связью и контроллера с упреждением, причем в “обычных” условиях эксплуатации используется контроллер с обратной связью, и только в “тяжелых” условиях эксплуатации контроллер с обратной связью заменяется контроллером с упреждением. Такие “тяжелые” условия могут содержать условия, в которых стабильность контура управления с обратной связью уже не гарантируется. Например, в случае, когда выходная мощность полупроводникового устройства совершает колебания по времени, сильные колебания температурных изменений могут возрасти настолько, что колебание температуры больше не отражает реальную характеристику температуры полупроводникового перехода. В данном случае контроллер может разрешить переключение в режим работы управления с упреждением, при котором изменение температуры полупроводникового перехода проводящего большой ток, предсказывается с достаточной точностью с использованием модели. В таком случае может быть предотвращено неуправляемое или нежелательное нарастание колебаний температуры теплоотвода и/или полупроводникового перехода, проводящего большой ток.
Тем не менее, простая операция только в режиме обратной связи или только в упреждающем режиме также обладает преимуществами. Одно преимущество режима с обратной связью заключается в том, что указанный режим является менее чувствительным к ошибкам моделирования и также является более точным. Преимущество упреждающего режима состоит в том, что может быть обеспечена высокая стабильность контура регулирования в системе управления по замкнутому контуру. Обе реализации будут уменьшать температурные изменения полупроводникового перехода, проводящего большой ток, и будут, таким образом, увеличивать срок службы мощного полупроводникового устройства.
В соответствии с дополнительным примером осуществления изобретения, контроллер дополнительно выполнен для регулирования эффективности охлаждения теплоотвода в зависимости от комбинированного сигнала температуры, причем контроллер выполнен для генерирования комбинированного сигнала температуры с помощью взвешенной комбинации прогнозируемой мощности теплового рассеивания мощного полупроводникового устройства и сигнала температуры во временной области и/или в частотной области. Например, комбинированный сигнал температуры может быть получен с помощью взвешенной по шуму комбинации в частотной области. Этот вариант воплощения является предпочтительным воплощением изобретения по сравнению с исключающим переключением только между режимом с обратной связью или упреждающим режимом, поскольку указанное воплощение обладает тем преимуществом, что оптимальным образом может быть осуществлено и использовано для регулирования эффективности охлаждения теплоотвода весьма точное определение температуры полупроводникового перехода.
В целом, измеренный сигнал температуры и спрогнозированное значение температуры будут обладать очень разными характеристиками. Например, сигнал, измеренный физически в устройстве, переключающемся на больших токах и/или напряжениях, часто будет представлять собой слабый сигнал по отношению к уровню шума.
Однако шум может быть очень хорошо локализован в малом диапазоне частот, расположенном рядом с частотой переключения устройства, и может быть удален, например, с помощью заграждающего фильтра. В указанной частотной области заграждающего фильтра прогнозируемый сигнал может быть использован вместо измеренного сигнала, так что в результате для регулирования эффективности охлаждения теплоотвода используется комбинированный сигнал температуры. В диапазонах частот, лежащих вне области частот заграждения, используют фактически измеренный сигнал температуры, тогда как в области частот заграждения используют прогнозируемый сигнал. Однако в целом, любые виды параметров могут быть использованы в качестве критериев для осуществления взвешенной комбинации измеренного сигнала температуры и прогнозируемой температуры, например, реальный входной сигнал модели, термосопротивления и термоемкости, и фактические потери в процессе переключения. Иначе говоря, лучший итоговый сигнал температуры с самой высокой точностью может быть получен посредством взвешенной комбинации обоих сигналов, полученных с помощью обоих способов, а именно реальное измерение и прогноз. Указанная комбинация может быть осуществлена, например, с использованием определенной частотной полосы одного сигнала и комплиментарной частотной полосы другого сигнала или с использованием одного сигнала в определенный интервал времени и с использованием в оставшееся время другого сигнала и их комбинаций.
В соответствии с примером осуществления изобретения упомянутое качество сигнала температуры задается уровнем шума в температурном сигнале, например, вследствие радиопомех, которые могут играть важную роль. В случае сильного шума с помощью модуля выбора, который выбирает между режимом с обратной связью и режимом с упреждением на основе качества сигнала температуры, можно затем переключиться с режима с обратной связью в упреждающий режим, который может быть менее точным в отношении прогноза реальной температуры полупроводникового перехода, но все же гарантирует, что точное управление эффективностью охлаждения теплоотвода еще возможно даже в случае указанных экстремальных ситуаций.
В соответствии с примером осуществления изобретения мощное полупроводниковое устройство может использоваться с частотой переключения, причем контроллер дополнительно выполнен для регулирования частоты переключения в зависимости от заданного или измеренного уровня выходной мощности мощного полупроводникового устройства. Один пример мощного полупроводникового устройства, работающего с частотой переключения представляет собой, например, Н-мост (полный мост) или систему управления мощностью с высокочастотной ШИМ (частотно-импульсная модуляция). В таких системах температура системы определяется двумя главными источниками тепла. Первый источник тепла возникает от переключения устройства, и второй источник тепла возникает от уже упомянутого тока нагрузки, протекающего через устройство. Поэтому температура внутри устройства может регулироваться посредством двух переменных, частоты переключения и выходного тока. В результате температура полупроводникового перехода, проводящего большой ток, может управляться посредством изменения частоты переключения в соответствии с током нагрузки, так что используются большие токи совместно с низкими частотами переключения и наоборот. Если устройство используют на полной мощности, то применяют номинальную низшую частоту переключения, но как только нагрузка уменьшается, частота увеличивается и создает большие потери в устройстве без фактической передачи мощности внешней системе для того, чтобы поддержать температуру внутри устройства настолько постоянной насколько возможно. Такой способ известен, например, из Murdock, Torres, Conners и Lorenz в 'Active Thermal Control of Power Electronics Modules', IEEE Transactions on Industry Applications, том.42, no. 2, стр.552-558. Преимущество данной конфигурации состоит в том, что дополнительные потери создаются в точно необходимом месте, которое является полупроводниковым переходом, проводящим большой ток. При комбинировании данной конфигурации с системой управления с упреждением или системой управления с обратной связью, упомянутой выше, температура мощного полупроводникового устройства может управляться еще более точно. Причиной является время, требуемое для уравновешивания температуры между теплоотводом и полупроводниковым переходом, проводящим большой ток. Даже в случае, когда система в состоянии точно измерить фактический рост температуры полупроводникового перехода, моментально увеличивающаяся эффективность охлаждения теплоотвода, вследствие ограниченной теплопроводности обычно используемых материалов, становится эффективной для ограничения повышения температуры только спустя определенное время. В то же время, посредством, например, дополнительного уменьшения частоты переключения системы, рост температуры может быть дополнительно ослаблен. Иначе говоря, посредством регулирования частоты переключения в комбинации с упомянутым использованием управления с обратной связью или управления с упреждением, изменения температуры могут быть дополнительно сглажены и скорость роста температуры может быть эффективно ограничена, что дополнительно увеличит срок службы мощных полупроводниковых устройств с использованием охлаждающего блока мощного полупроводникового устройства.
В соответствии с другим примером осуществления изобретения теплоотвод термически изолирован от окружающей среды. Данный пример осуществления обладает тем преимуществом, что тепло, сохраняемое в теплоотводе, не может больше рассеиваться, что сохраняет температуру теплоотвода относительно постоянной, например, в течение интервала времени отсутствия мощности или низкого потребления мощности. Единственное снижение температуры вызвано тепловым выравниванием температурных различий в массе теплоотвода, в результате использования хладагента, такого как жидкость или воздух, и утечки температуры через термоизоляцию, которая является достаточно небольшой. Как только мощному устройству снова потребуется подведение полной мощности, охлаждающая способность теплоотвода восстанавливается до ее максимального значения. Вследствие указанного, амплитуда температурных циклов мощного полупроводникового устройства и особенно переходов полупроводникового устройства значительно уменьшается, поскольку температура теплоотвода сохраняется настолько постоянной, насколько возможно, даже в период, когда мощность отсутствует или потребляется низкая мощность.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к системе обследования с помощь http://multitran.ru/c/m.exe?t=482879_2_1а, содержащей блок в соответствии с настоящим изобретением. Например, в системах обследования с помощью http://multitran.ru/c/m.exe?t=482879_2_1а используют градиентные усилители, которые содержат высокомощные полупроводниковые устройства. Когда выполняют визуализирующие сканирования ядерного магнитного резонанса, градиентные усилители обычно используют на полную мощность, и в то же время есть регулярные короткие интервалы, во время которых мощность не требуется вследствие того, что системы магнитного резонанса нужно переключать в различные режимы сканирования, или в силу того, что оператору нужно некоторое время, чтобы оценить изображение перед началом нового сканирования, или поскольку новый пациент должен быть помещен в аппарат. Временные рамки указанных периодов без потребления энергии градиентными усилителями находятся в диапазоне от нескольких секунд до нескольких минут. Посредством системы обследования с помощью http://multitran.ru/c/m.exe?t=482879_2_1а, содержащей указанный блок, температурные колебания в мощных полупроводниковых устройствах градиентных усилителей значительно уменьшаются, что, таким образом, увеличивает срок службы указанных мощных устройств.
В случае применения данного блока согласно изобретению в мощных полупроводниковых устройствах, используемых в градиентных усилителях магнитно-резонансных сканеров, возможно либо использование упомянутых выше типов контроллеров, а именно контроллеров с обратной связью, контроллеров с упреждением, контроллеров, которые регулируют частоту переключения силовых модулей, или их комбинаций, либо возможно дополнительно использовать информацию управления градиентного усилителя, получаемую из фактически примененной последовательности импульсов магнитного резонанса. В данном случае можно даже регулировать эффективность охлаждения теплоотвода, заранее прогнозируя будущий характер изменения температуры полупроводникового перехода, проводящего большой ток, путем анализа дополнительной прогрессии в системе градиентного усилителя магнитного резонанса путем анализа использованной последовательности импульсов магнитного резонанса.
В другом аспекте данное изобретение относится к способу действия охлаждающего блока мощного полупроводникового устройства для охлаждения мощного полупроводникового устройства, причем блок содержит теплоотвод с активным охлаждением и контроллер, причем контроллер регулирует эффективность охлаждения теплоотвода в зависимости от температуры полупроводникового перехода, проводящего большой ток мощного полупроводникового устройства.
В соответствии с примером осуществления изобретения способ дополнительно содержит этапы, на которых принимают сигнал температуры, указывающий фактическое значение температуры полупроводникового перехода, проводящего большой ток, и регулируют эффективность охлаждения теплоотвода в зависимости от сигнала температуры.
В соответствии с другим примером осуществления изобретения, способ дополнительно содержит этапы, на которых регулируют эффективность охлаждения теплоотвода в зависимости от заданного или измеренного уровня выходной мощности мощного полупроводникового устройства, причем указанное регулирование осуществляют с применением прогнозируемой мощности теплового рассеяния мощного полупроводникового устройства с использованием модели, причем модель прогнозирует мощность теплового рассеяния относительно указанного уровня выходной мощности.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к компьютерному программному продукту, включающему в себя исполняемые компьютером инструкции для выполнения способа в соответствии с данным изобретением.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает теплоотвод, на котором расположен мощный полупроводниковый прибор;
Фиг.2 изображает вариант обратной связи охлаждающего блока мощного полупроводникового устройства;
Фиг.3 изображает вариант с упреждением охлаждающего блока мощного полупроводникового устройства;
Фиг.4 изображает смоделированные характеристики охлаждения классических охлаждающих систем и охлаждающей системы с применением охлаждающего блока мощного полупроводникового устройства;
Фиг.5 изображает блок-схему, иллюстрирующую способ действия охлаждающего блока мощного полупроводникового устройства.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В дальнейшем аналогичные элементы обозначены одинаковыми номерами позиций на чертежах.
Фиг.1 схематически изображает блок 116, содержащий теплоотвод 102, на котором расположено мощное полупроводниковое устройство 100, например, БТИЗ. Теплоотвод 102 содержит термоизоляцию 114, которая ограничивает нежелательный тепловой поток в окружающую среду до минимума. Поэтому термическое равновесие выполняется только между мощным полупроводниковым устройством 100 посредством теплового потока 110 и посредством термического контакта с теплоотводом с активным хладагентом. Активное охлаждение может быть осуществлено, например, посредством воздушного потока, в направлении 106 через множество пластин радиатора (здесь не показано) теплоотвода 102 или посредством трубки 104, находящейся в термоконтакте с теплоотводом 102, по которой перемещается охлаждающая жидкость. В результате температура мощного полупроводникового устройства определяется термосопротивлением между полупроводниковым устройством 100 и теплоотводом 102, обозначенным через тепловой поток 110, термосопротивлением между теплоотводом и температурой окружающей среды, обозначенным через тепловой поток 112, термосопротивлением между теплоотводом 102 и охлаждающей жидкостью, протекающей в трубке 104, и выработанным теплом, которое проходит из мощного полупроводникового устройства 100 через теплоотвод 102 в окружающую среду за пределами изоляции 114.
Кроме термосопротивлений мощное устройство и теплоотвод имеют тепловые емкости, которые определяют количество тепла, которое может быть сохранено. Указанные тепловые емкости способствуют динамическому характеру изменений охлаждающей системы. Обычно теплоотвод обладает тепловой емкостью, которая значительно больше, чем тепловая емкость мощного устройства, установленного на нем. Иначе говоря, температура мощного устройства 100 может меняться значительно быстрее, чем температура теплоотвода 102. Данный факт означает, что температура устройства 100 будет приближаться очень быстро к температуре теплоотвода 102. В случае если прибор 100 работает, теплоотвод 104 будет эффективно передавать тепло, выработанное во время работы устройства 100. Однако как только работа устройства 100 прекращается, в случае отсутствия управления эффективностью охлаждения теплоотвода 102, температура теплоотвода 102 будет быстро снижаться. Поэтому температура устройства 100 также будет очень быстро снижаться до настоящей достаточно низкой температуры теплоотвода, что приводит к тепловому напряжению, например, между кристаллом и базой мощного полупроводникового устройства 100. Как уже объяснялось выше, такое напряжение приводит к усталости материала, таким образом, существенно ограничивая срок службы устройства 100.
Таким образом, путем управления эффективностью охлаждения теплоотвода 102, могут быть ограничены значительные снижения температуры устройства 100 и, предпочтительно и в особенности, полупроводникового перехода, проводящего большой ток мощного полупроводникового устройства, и, таким образом, тепловое напряжение в устройстве 100, что существенно увеличивает срок службы устройства.
Фиг.2 изображает пример осуществления изобретения, в котором указанный принцип применен посредством контроллера 208 с обратной связью. Охлаждающий блок, изображенный на фиг.2, действует посредством блока 116, содержащего теплоотвод 102, который изолирован от внешней среды с помощью изоляции 114. Мощное полупроводниковое устройство 100 установлено на теплоотводе. Теплоотвод 102 содержит канал охлаждения, например, трубку, через которую протекает охлаждающая жидкость, например, вода. Жидкость прокачивают посредством насоса 200 через теплоотвод 102 в замкнутом цикле к теплообменнику 204, причем теплообменник 204 выделяет тепло из охлаждающей жидкости. Эффективность охлаждения теплоотвода 102 управляется посредством управляющего сигнала, доставляемого от контроллера 208 с обратной связью посредством линии 206 управления к насосу 200.
Для того чтобы управлять насосом 200, контроллер 208 принимает сигнал температуры от мощного устройства 100 посредством линии 210 управления температурой. Сигнал температуры указывает фактическое значение температуры полупроводникового перехода, проводящего большой ток мощного полупроводникового устройства 100. Чтобы управлять расходом охлаждающей жидкости посредством насоса 200, контроллер 208 содержит процессор 216 и память 218. С помощью процессора и памяти контроллер 208 анализирует сигнал температуры и регулирует эффективность охлаждения теплоотвода 102 путем регулирования потока охлаждающей жидкости.
В дополнительном примере осуществления изобретения контроллер 208 содержит вход, через который контроллер может принимать сигнал 212 управления мощного полупроводникового устройства 100. Например, мощное полупроводниковое устройство 100 является Н-мостом (полный мост), работающим на определенной переменной частоте переключения. В данном случае, предпочтительно, сигнал 212 управления содержит указанную частоту переключения. Как уже подробно описано выше, путем дополнительного изменения частоты переключения Н-моста 100 получают дополнительную возможность, которая позволяет управлять температурой полупроводникового перехода, проводящего большой ток, таким образом, что изменения температуры полупроводникового перехода дополнительно подавляются. Фактически используемая частота переключения может быть вычислена посредством процессора 216 и памяти 218 контроллера 208, причем память содержит соответствующий компьютерный программный продукт. Вычисленная частота переключения передается от контроллера 208 к устройству 100 посредством линии 214 управления.
Фиг.3 изображает систему с упреждением, которая, например, может быть использована там, где невозможно непосредственно измерить фактическую температуру, или производную температуры мощного полупроводникового устройства 100. Система проиллюстрирована на фиг.3 в комбинации с применением охлаждающей жидкости для регулирования температуры блока 116 теплоотвода, но система также может быть реализована с использованием вентиляторов или любых других технологий охлаждения, известных в данной области техники, с тем требованием, что охлаждающая способность системы может регулироваться.
Система состоит из мощного полупроводникового устройства 100, например, БТИЗ и охлаждаемого жидкостью блока 116 теплоотвода. Блок 116 теплоотвода является частью жидкостной охлаждающей системы с замкнутым контуром, которая помимо блока теплоотвода 116, состоит из насоса 200 для циркуляции жидкости и теплообменника 204, который выделяет тепло, которое передается из теплоотвода. Расход также управляется посредством насоса 200 посредством сигналов управления, обеспеченных от контроллера 300 с помощью линии 206 управления к насосу 200. Предпочтительно, поток жидкости через насос 200 управляется таким образом, что во время потребления полной мощности устройства 100 достигается максимальное охлаждение мощного устройства с помощью блока 116 теплоотвода. Когда от мощного устройства требуется меньшая мощность или мощность не требуется, поток через насос 200 уменьшается или полностью прекращается, чтобы ограничить слишком сильное снижение температуры мощного устройства 100. В случае если от мощного устройства 100 не требуется мощность, но поток через насос сохраняется на уровне, который соответствует максимальной охлаждающей способности, температура полупроводниковых переходов, проводящих большой ток мощного устройства, 100 будет существенно падать. Как уже упоминалось выше, указанное снижение температуры может привести к тепловому напряжению материала и, таким образом, существенно ограничить срок службы мощного устройства 100.
Напротив, при управлении насосом 200 на основе входящего сигнала 212 управления мощного устройства 100, http://multitran.ru/c/m.exe?t=2414622_2_1 мощного устройства 100 может быть уменьшено. Одним из ключевых элементов является точное, основанное на модели прогнозирование рассеяния мощности в полупроводниковом переходе, проводящем большой ток, полупроводникового устройства 100. С помощью процессора 302 и памяти 304 контроллера 300, применяют алгоритм, который моделирует рассеяние тепловой мощности мощного полупроводникового устройства, с использованием модели, выполненной для прогнозирования рассеяния тепловой мощности, например, в зависимости от заданного уровня выходной мощности, предоставляемого управляющим сигналом 212. Алгоритм обычно определяют во время разработки охлаждающего блока мощного полупроводникового устройства, исходя из его желаемой работы и характера температурных изменений мощного устройства и охлаждающей системы. Несмотря на то что на фиг.3 проиллюстрирована только система с упреждением, система с упреждением на фиг.3 может быть также скомбинирована с системой с обратной связью, проиллюстрированной на фиг.2. Данная комбинация показана, в качестве примера, на фиг.3 посредством линии 210 передачи сигнала, через которую дополнительный сигнал температуры поступает от мощного устройства к контроллеру 300. Дополнительно, с помощью программного обеспечения, например с помощью памяти 304, может быть реализован модуль выбора, выполненный для выбора между режимом управления с обратной связью и режимом управления с упреждением для регулирования эффективности охлаждения, причем в режиме с обратной связью регулировка эффективности охлаждения выполняется в зависимости от сигнала температуры, и где в упреждающем режиме регулировка эффективности охлаждения выполняется в зависимости от заданного уровня выходной мощности или измеренного уровня выходной мощности мощного полупроводникового устройства, с использованием модели, причем модуль выбора выполнен для осуществления выбора на основе качества сигнала температуры.
На фиг.4 изображены смоделированные характеристики изменения охлаждения классической системы охлаждения, в которой температура теплоотвода не управляется активно в зависимости от температуры полупроводникового перехода, проводящего большой ток, и характеристики изменения охлаждения охлаждающего блока мощного полупроводникового устройства согласно изобретению.
В верхней части на фиг.4 потребление энергии мощного полупроводникового устройства показано в относительных единицах, как функция от времени. Потребляемая мощность состоит из блоков 410 продолжительностью приблизительно 20 минут, с последующим промежутком 412 продолжительностью 12 минут, в течение которого не требуется мощность от мощного полупроводникового устройства. Блоки 410 и 412 расположены непрерывно один за другим.
На нижней диаграмме показана соответствующая температура полупроводникового перехода, проводящего большой ток, мощного полупроводникового устройства, работающего с потребляемой мощностью, проиллюстрированной на верхней диаграмме. Температура также представлена в относительных единицах как функция от времени. Кривая 400 изображает температуру полупроводникового перехода в случае использования обычного постоянно охлаждаемого теплоотвода. Как можно видеть, после завершения блока 410 с высоким потреблением мощности, температура значительно уменьшается в течение промежутка времени 412. Напротив, при активном регулировании эффективности охлаждения теплоотвода в зависимости от фактической температуры полупроводникового перехода, проводящего большой ток, либо измеренной непосредственно, либо спрогнозированной с помощью подходящей модели, колебание температуры, представленное с помощью кривой 402, существенно уменьшается. В случае кривой 402, температура колеблется между максимальным значением 406 температуры и минимальным значением 404 температуры, тогда как в случае кривой 400 температура колеблется между максимальным значением 406 температуры и минимальным значением 408 температуры. Минимальное значение 408 температуры значительно ниже минимального значения 404 температуры. Поэтому амплитуда циклического изменения температуры полупроводникового перехода при использовании способа согласно изобретению является значительно меньшей, по сравнению с амплитудой циклического изменения температуры в случае использования постоянно охлаждаемого теплоотвода, что в результате существенно увеличивает срок службы соответствующего мощного устройства, охлаждаемого с помощью способа согласно изобретению.
Фиг.5 является блок-схемой последовательности операций способа работы охлаждающего блока мощного полупроводникового устройства для охлаждения мощного полупроводникового устройства. Этапы способа, показанные на фиг.5, представляют собой этапы при комбинации способа управления с обратной связью и с упреждением, где вместо применяемого в настоящее время способа управления, осуществляют анализ сигнала температуры, который получают на этапе 500. Данный сигнал температуры содержит фактическую температуру полупроводникового перехода, проводящего большой ток, содержащегося в полупроводниковом устройстве. Если на этапе 502 выясняется, что качество сигнала, обусловленное, например, уровнем шума в сигнале температуры, является достаточно хорошим, таким что сигнал температуры может быть использован для регулирования эффективности охлаждения теплоотвода, то способ в его простейшей реализации продолжается этапом 508, регулированием эффективности охлаждения на основе принятого сигнала температуры. Альтернативно, после принятия решения на этапе 502, что качество сигнала является хорошим, возможно продолжение с этапом 504, на котором принимают желаемый выходной уровень. Данный этап является предпочтительным, в случае если мощное полупроводниковое устройство работает с определенной частотой переключения, такой как частота, на основе сигнала температуры, принятого на этапе 500, на этапе 506 частота переключения может быть отрегулирована, что позволяет регулировать температуру внутри мощного полупроводникового устройства. После этапа 506, на этапе 508 эффективность охлаждения регулируют на основании сигнала температуры, принятого на этапе 500.
Однако, если на этапе 502 получают ответ, что качество сигнала является недостаточно хорошим, чтобы осуществить регулирование эффективности охлаждения на основании сигнала температуры, принятого на этапе 500, то после этапа 502 способ продолжается этапом 510, на котором принимается желаемый уровень выходной мощности мощного полупроводникового устройства. На основании этого принятого уровня выходной мощности, на этапе 512 рассеяния тепловой мощности полупроводникового перехода, проводящего большой ток, прогнозируют с использованием модели, которая точно имитирует рассеяние мощности в мощном полупроводнике. Непосредственно после этапа 512 либо осуществляют этап 508 с регулированием эффективности охлаждения, на основе прогнозируемого рассеивания тепловой мощности, либо после этапа 512 осуществляют дополнительный этап 506 с регулированием частоты переключения мощного полупроводникового устройства, в случае, когда полупроводниковое устройство работает с определенной частотой переключения. После этапа 506 следует этап 508 с регулированием эффективности охлаждения. После этапа 508 способ возвращается на этап 500, так что способ, проиллюстрированный на фиг.5, циклически повторяется.
Следует отметить, что способ, проиллюстрированный на блок-схеме, соответствует только одному примеру осуществления изобретения. Как уже обсуждалось выше, другой пример осуществления изобретения представляет собой не только исключающий выбор либо принятого сигнала температуры, либо прогнозируемого рассеивания тепловой мощности, но также и их комбинацию. Например, если на этапе 502 определяют, что в определенном частотном диапазоне качество сигнала не является хорошим из-за высокого уровня шума, этапы 502, 504, 506, также как и этапы 502, 510, 512 и 506, могут быть выполнены, так что на этапе 508 эффективность охлаждения регулируют с использованием спрогнозированной температуры полупроводникового перехода, в качестве критерия регулировки в этом частотном диапазоне, и с использованием принятого на этапе 500 сигнала температуры, в качестве критерия регулировки вне упомянутого частотного диапазона. Однако, возможна также их взвешенная комбинация, где взвешивание зависит от уровня шума. Чем выше уровень шума, тем ниже будет взвешивание сигнала температуры, содержащего шум.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
100 мощное полупроводниковое устройство
102 теплоотвод
104 трубка
106 направление воздушного потока
110 тепловой поток
112 тепловой поток
114 изоляция
116 блок теплоотвода
200 насос
204 теплообменник
206 линия передачи сигнала
208 контроллер
210 линия передачи сигнала температуры
212 сигнал управления
214 линия передачи сигнала управления
216 процессор
218 память
300 контроллер
302 процессор
304 память
400 смоделированная кривая
402 смоделированная кривая
404 минимальное значение
406 максимальное значение
408 минимальное значение
410 блок
412 промежуток.