Hochtemperatur DC/DC

Leistungselektronische Systeme
Forschung
Research
Hochtemperatur
DC/DC-Wandler
Innerhalb dieses Industrieprojektes wird ein DC/DC-Wandlersystem für Hochtemperaturanwendungen entwickelt. Ziel des
Projektes ist es, den zuverlässigen Betrieb leistungselektronischer Systeme unter rauen Umgebungsbedingungen wie
hoher Temperatur, geringem Platzangebot und eingeschränkten Kühlmöglichkeiten zu demonstrieren.
Um Leistungselektronik bei hohen Umgebungstemperaturen
betreiben zu können, muss das thermische Management entsprechend ausgelegt sein, um die aktuelle Sperrschichttemperatur immer unter der maximal erlaubten Temperatur bei allen
Betriebspunkten zu halten. Am ISEA wird zurzeit ein DC/DCWandlersystem für spezielle Anwendungen entwickelt. Die gesamte Elektronik ist in einem Rohr mit einem
Außendurchmesser von nur wenigen Zentimetern eingebaut.
An der Außenseite des
Rohres fließt ein 125 °C
heißes Fluid vorbei. Dieses Fluid kann genutzt
werden, um die thermischen Verluste, die in den
Halbleitern auftreten, abzuführen. Da die maximale Sperrschichttemperatur von Silizium
Halbleitern bei ca. 150 °C
liegt, steht nur eine rela- DC/DC-Wandler System
tiv geringe Temperatur- DC/DC Converter System
differenz von 25 °C zwischen Sperrschicht und Umgebung zur
Verfügung, die zur Kühlung genutzt werden kann.
Neben Wärmeabfuhr durch freie Konvektion an den Kühlkörpern des DC/DC-Wandler-Systems wäre auch ein System mit
forcierter Kühlung denkbar. Um verschiedene Kühlkonzepte
miteinander zu vergleichen, wurde ein Sperrschichttemperatur-Messsystem entwickelt, welches auf Basis des temperaturabhängigen Bahnwiderstandes von CoolMOS-Bauteilen die
aktuelle Sperrschichttemperatur bestimmt.
Als Ergebnis konnte festgestellt werden, dass Pin-BlocKühlkörper vorteilhaft in diesem System sind. Durch die radiale Symmetrie der Kühlkörper gibt es keine Vorzugsrichtung.
Daher kann das System in verschiedenen räumlichen Ausrichtungen und Positionen betrieben werden.
Ein neuer Prüfstand wurde am ISEA installiert, um die prinzipielle Betriebsweise des Systems unter realistischen Bedingungen zu zeigen. Dieser wird in den kommenden Monaten in
Betrieb genommen.
Power Electronic Systems
High-Temperature
DC/DC Converters
Within this industry project a new DC/DC converter system
for high-temperature applications is being developed. The
goal of this project is to demonstrate a reliable operation of
power electronic systems at harsh ambient conditions such as
high temperature, limited space and restricted cooling possibilities.
Operating power electronic systems at high ambient temperatures requires a sophisticated thermal management to keep
the actual junction temperature below the maximum specified temperature under all operating conditions. At ISEA, a
DC/DC converter system for special applications is being developed. All electronic devices are assembled within a tube
with an outer diameter of only a few centimetres. On the outside of this tube, a fluid with a temperature of approximately
125 °C passes by. This
fluid can be used to dissipate the thermal losses
occurring within the
semiconductor devices.
Since the maximum specified junction temperature of current silicon
devices is 150 °C, only a
small temperature difference of 25 °C between
junction and ambient exists which can be used for cooling.
Besides natural convection cooling of the heatsinks of this
DC/DC converter system, also forced convection cooling could
be applied here. In order to evaluate different cooling concepts experimentally, a junction temperature measurement
system was developed which calculates the actual junction
temperature of CoolMOS devices by taking the temperature
dependent on-state resistance into account.
These analyses showed that pin-type heatsinks were advantageous in this system. There is no preferable direction due to the
symmetric design of the heatsink. Hence, the system can be
operated in different spatial orientations and positions.
To prove the working principle of this system at realistic ambient conditions, a new test bench has been installed at ISEA
and is to be put into operation within the next few months.
Kontakt Contact
Andreas König, [email protected]
Tel. +49 241 80-96959
Veröffentlichungen Publications
A. König, T. Plum, P. Fidler, R. W. De Doncker, Junction
Temperature Measurement and Thermal Control of a
DC/DC Converter for High Temperature Applications, International Conference on High Temperature Electronics (HiTEC 2008), Hotel Albuquerque Old Town,
Albuquerque, New Mexico USA, May 12-15, 2008
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