Tuy nhiên trong quá trình hoạt động các van bán dẫn ở cấu trúc mạch dùng đểnâng cao hệ số công suất sẽ nóng lên do tổn hao sinh ra từ các phần tử bán dẫnbên trong cấu trúc như MOSFET, Di
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU TRÚC BOOST PFC
Giới thiệu chung
Theo tổ chức y tế thế giới WHO, tình trạng về ô nhiễm không khí vẫn luôn ở trong tình trạng đáng báo động và đã gây ra gần 9 triệu ca tử vong trên toàn cầu mỗi năm Tính riêng tại Việt Nam con số này cũng không hề nhỏ khi rơi vào khoảng 60,000 người [1] [2] Nguyên nhân hàng đầu gây ra sự ô nhiễm là do khí thải đến từ các phương tiện giao thông chiếm khoảng 70% lượng bụi và khí thải vào môi trường không khí Các thành phố lớn tại Việt Nam với lượng cư dân đông đúc và lượng xe cộ qua tải luôn nằm trong tình trạng ô nhiễm đáng báo động Việc môi trường ô nhiễm có thê gây ra nhiệt bệnh lý về tim mạch, hô hấp, viêm phổi,…. Để giải quyết vấn đề này chính phủ các nước trong đó có Việt Nam đã đưa ra nhiều giải pháp trong đó có phương án tăng cường phát triển hệ thống xe điện như ôtô điện, xe máy điện, xe đạp điện Nhằm giảm bớt lượng khí thải do các phương tiện xăng thải ra nên các chính phủ phát triển và sản xuất xe điện để thay thế xe xăng thành xe điện Trong đó vai trò của bộ sạc xe điện là quan trọng và trong bộ sạc xe điện sẽ có bao gồm những cấu trúc mạch nhằm cải thiện hệ số công suất của bộ sạc
Tuy nhiên trong quá trình hoạt động các van bán dẫn ở cấu trúc mạch dùng để nâng cao hệ số công suất sẽ nóng lên do tổn hao sinh ra từ các phần tử bán dẫn bên trong cấu trúc như MOSFET, Diode,… Nếu để bộ biến đối và các van bán dẫn làm việc ở nhiệt độ cao sẽ làm giảm tuổi thọ của cả cấu trúc và gây hỏng hóc các phần tử bên trong cũng như giảm hiệu suất hoạt động Vì vậy việc tản nhiệt làm giảm nhiệt độ là vô cùng cần thiết Vai trò của hệ thống tản nhiệt và quạt làm mát cần phải được tính toán và sử dụng.
Trước khi tìm hiểu về hệ thống tản nhiệt cần phải biết được cách thức hoạt động của cấu trúc nâng cao hệ số công suất trong bộ biến đổi và những yếu tố ảnh hưởng đến hệ số công suất của bộ biến đổi như: sóng hài, độ méo sóng hài,….Cấu trúc được sử dụng để nâng cao hệ số công suất trong bộ biến đổi là cấu trúcBoost PFC.
Sóng hài
Trong hệ thống điện, sóng hài được định nghĩa là bội số nguyên dương của tần số cơ bản Sóng hài được hiểu là điện áp hoặc dòng điện xuất hiện ở một bội số của tần số cơ bản, nó được coi là nhiễu trong đường dây điện Trong một bộ cấu trúc có nhiều nguyên nhân gây ra sóng hài như tải phi tuyến ( bao gồm bộ chỉnh lưu, nghịch lưu….)
Trong cấu trúc Boost PFC, máy biến áp được sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu vào của mạch làm tăng chất lượng điện áp Máy biến áp giúp tạo ra điện áp đầu vào ổn định cho mạch Boost PFC.
Khi xuất hiện sóng hài là các thành phần tần số cao trong hệ thống điện có thể gây ra một số ảnh hưởng xấu trong đó có tổn hao trên máy biến áp, cuộn cảm và tụ điện vì một số lý do sau:
+ Tổn hao dẫn: Sóng hài gây ra tổn hao dẫn trong các linh kiện dẫn điện như dây dẫn, cuộn cảm và máy biến áp Do điện trở của các linh kiện này tăng lên khi tần số cao, năng lượng bị tiêu hao dưới dạng nhiệt dẫn đễn tổn thất.
+ Tăng nhiệt độ: Tổn hao dẫn tăng gây nên tăng nhiệt độ các linh kiện và van bán dẫn trong mạch Nhiệt độ cao có thể gây ra hỏng hóc, giảm tuổi thọ và tăng nguy cơ cháy nổ.
+ Tác động đến hệ số công suất: Do sóng hài gây ra tổn hao trong mạch sẽ làm cho hiệu suất làm việc của mạch bị giảm, dẫn đến hệ số công suất bị giảm [3] Độ méo sóng hài tổng (THD) là một đại lượng đặc trưng của sóng hài và thường được sử dụng để đánh giá chất lượng của nguồn điện hay một thiết bị điện THD đo lường mức độ biến dạng của sóng hài so với tần số cơ bản và được tính toán như sau:
Sóng hài gây ra những ảnh hưởng không tích cực đến các cấu trúc, vì vậy việc giảm hay hạn chế sóng hài là cần thiết.
Hệ số công suất
Một thông số rất quan trọng trong bộ biến đổi đã được đề cập ở phần 1.1 là hệ số công suất
Hệ số công suất có thể được hiểu là tỷ số giữa công suất tác dụng P và công suất biểu kiến S như sau:
Trong đó P là công suất thực (W) và S là công suất biểu kiến (VA).
Hệ số công suất (PF) sẽ nằm trong khoảng từ 0 đến 1 Ở đây, công suất thực được tính bằng giá trị trung bình của dòng điện và điện áp tức thời trong một chu kì, và công suất biểu kiến được tính bằng tích của giá trị rms của dòng điện và điện áp trong khoảng thời gian đó Nếu dòng điện và điện áp đều có dạng sin thì hệ số công suất là cosφ – φ là góc pha giữa dòng điện và điện áp Khi PF=1 tức là khi đó dòng điện và điện áp có mối quan hệ tuyến tính.
Hệ số công suất (PF) bao gồm hai thành phần đó là: hệ số chuyển dịch (Displacement Factor) và hệ số biến dạng (Distortion Factor) [3] Hệ số chuyển dịch đại diện cho độ lệch pha giữa điện áp và dòng điện, hệ số biến dạng thể hiện sự khác biệt giữa thành phần cơ bản và dạng sóng thực tế Cả hai hệ số được thể hiện như sau:
√ 1+THD I 2.cos(φ 1 −θ 1 )=K d K p PT 1.3 trong đó K d là hệ số biến dạng, K p là hệ số chuyển dịch, φ 1 là góc pha của điện áp đầu vào bậc 1, θ1 là góc pha của dòng điện đầu vào bậc 1.
Khi cả điện áp và dòng điện đều có dạng hình sin thì K d=1 khi đó:
Công suất thực (P) là công suất mà bộ biến đổi nhận được từ lưới, công suất biểu kiến (S) là công suất mà lưới điện mất đi
Hệ số công suất được hạ xuống khi công suất tác dụng (P) giảm đi hay nói cách khác, công suất phản kháng (Q) tăng lên với S 2 =P 2 +Q 2 do tải cảm ứng (máy biến áp, động cơ, ) Hoặc hệ số công suất bị thấp đi do sự méo sóng hài Điều này gây ra bởi các tải phi tuyến.
Bộ biến đổi Power Factor Correction
PFC (Power Factor Correction) được hiểu là bộ biến đổi hiệu chỉnh hệ số công suất. Để tránh những ảnh hưởng cũng như hiện tượng xấu xảy ra do hệ số công suất thấp nên việc nâng cao hệ số công suất là cần thiết Việc nâng cao hệ số công suất giúp cho dòng điện và điện áp đầu vào cùng pha với nhau sẽ khiến cho cos(φ1−θ1)=1 Việc làm giảm độ méo sóng hài cũng giúp nâng cao hệ số công suất Đó chính là tác dụng của bộ biến đổi hiệu chỉnh hệ số công suất giúp làm thay đổi giá trị của hệ số công suất.
Các bộ biến đổi PFC hướng tới việc đạt hệ số công suất cao nhất có thể Tuy nhiên, để đánh giá một cách chính xác PF cao hay thấp cần dựa vào tiêu chuẩn IEC-61000-3-2 Theo đó, với các bộ biến đổi một pha nối lưới có dòng điện hiệu dụng đầu vào không cao hơn 16A, hệ số công suất không được phép nhỏ hơn 0.9 Thông thường các bộ biến đổi PFC được chia thành hai loại chính là bộ biến đổi PFC thụ động và bộ biến đổi PFC chủ động
1.4.1 Bộ biến đổi PFC thụ động
Bộ biến đổi PFC thụ động là bộ biến đổi hiệu chỉnh hệ số công suất mà trong đó chỉ sử dụng các phần tử thụ động như tụ điện, cuộn cảm PFC thụ động hoạt động như một cấu trúc lọc thông thấp để loại bỏ sóng hài bậc cao
Vì chỉ sử dụng các phần tử thụ động có sẵn nên mạch của PFC thụ động sẽ đơn giản, chi phí thấp PFC thụ động hoạt động ở tần số lưới nên không có nhiễu tần số cao Tuy vậy, PFC thụ động thường chỉ được sử dụng cho bộ nguồn công suất thấp (thường dưới 75W) do ảnh hưởng của kích thước linh kiện và tổn hao. Ngoài ra, hệ số công suất đạt được khi sử dụng PFC thụ động chỉ vào khoảng 0.7-0.85 [4] [5]
Hình 1.1 Bộ biến đổi PFC thụ động
1.4.2 Bộ biến đổi PFC chủ động
Bộ biến đổi PFC chủ động sử dụng các phần tử đóng cắt liên tục như MOSFET, IGBT để hiệu chỉnh hệ số công suất Bằng vào việc đóng cắt van, PFC chủ động có thể dễ dàng định hình dạng dòng điện bám sát với dạng điện áp Có rất nhiều cấu trúc PFC chủ động, trong đó có 3 loại cơ bản là: Boost PFC, Buck PFC, Buck-Boost PFC.
Cấu trúc mạch PFC gồm các phần tử chính như bộ chỉnh lưu cầu, cuộn cảm, Diode, MOSFET và tụ điện đầu ra Bằng vào việc đóng cắt van một các hợp lý, dòng điện đầu vào cùng pha với điện áp vào giúp nâng cao hệ số công suất Tuy nhiện với cấu trúc mạch Boost, dòng điện đầu vào liên tục trong khi 2 cấu trúc còn lại dòng điện đầu vào không liên tục Từ đó, PF và THD của Boost PFC tốt hơn 2 cấu trúc còn lại.
Hình 1.2 (a)Boost PFC (b)Buck PFC (c)Buck-Boost PFC
Tuy rằng cấu trúc của bộ biến đổi PFC chủ động phức tạp hơn nhiều do với bộ biến đổi PFC thụ động nhưng lại có nhiều ưu điểm hơn hẳn Nên thường được sử dụng nhiều để hiệu chỉnh hệ số công suất Có thể thấy được ưu điểm của cấu trúcBoost PFC so với những cấu trúc như Buck PFC hay Buck-Boost PFC dưới bảng sau:
Boost PFC Buck PFC [6] Buck-Boost PFC
+ THD thấp, PF cao hơn
+ Yêu cầu tụ nhỏ hơn
+ THD cao hơn Boost PFC + Điều khiển MOSFET Highside + Nhiễu EMC thấp hơn + Yêu cầu tụ điện lớn hơn
+ PF thấp hơnBoost PFC+ Hiệu suất thấp hơn
Nguyên lý hoạt động của Boost PFC
Hình 1.3 Cấu trúc mạch Boost PFC
Mạch Boost PFC là tổng hợp của cấu trúc AC/DC là chỉnh lưu cầu Diode và cấu trúc DC/DC là bộ biến đổi Boost Vì vậy Boost PFC bao gồm các linh kiện chính là bộ chỉnh lưu cầu, cuộn cảm, MOSFET, Diode và tụ điện Với cấu trúc như trên và bằng việc đóng cắt MOSFET, dòng điện qua cuộn cảm sẽ bám theo dạng điện áp chỉnh lưu (dạng bán sin) Khi MOSFET bật, dòng điện trong mạch có dạng như dòng màu đỏ trong Hình 1.3 Khi đó, cuộn cảm được sạc, dòng điện qua cuộn cảm tăng dần làm tích trữ năng lượng trong cuộn cảm Điện áp trên cuộn cảm lúc này bằng trị tuyệt đối điện áp đầu vào và được tính như sau:
Với V L là giá trị điện áp trên cuộn cảm
Trong lúc đó, tụ điện cũng xả năng lượng ra tải Ngoài ra, đi-ốt có dòng phục hồi ngược nếu bộ biến đổi hoạt động ở chế độ CCM.
Khi MOSFET tắt, dòng điện có dạng như dòng màu xanh trong Hình 1.4 Khi đó cuộn cảm xả năng lượng kết hợp với năng lượng từ lưới đưa dòng điện ra tải Lúc này điện áp qua cuộn cảm được tính băng công thức:
Bằng việc điều chỉnh thời gian đóng cắt của MOSFET, điện áp đầu ra có thể đạt như mong muốn Ngoài ra, bằng cách điều chỉnh dòng điện qua cuộn cảm cùng pha với điện áp sau chỉnh lưu, dòng điện đầu vào cùng pha với điện áp đầu vào.
TÍNH TOÁN TỔN HAO CỦA VAN BÁN DẪN TRONG CẤU TRÚC BOOST PFC
Tổn hao dẫn của MOSFET
Tổn hao dẫn xảy ra trong khi MOSFET đang trong trạng thái bật hay trạng thái dẫn, khi đó MOSFET có thể mô hình như là một điện trở dẫn có khả năng dẫn dòng điện theo cả hai chiều Công thức tính tổn hao trên điện trở hoàn toàn có thể sử dụng để tính tổn hao dẫn của MOSFET Tổn hao dẫn của MOSFET do nội điện trở của kênh dẫn DS gây ra, được tính là :
PM ,d=RDS,on.ID,rms 2 PT 2.7 trong đó, PM ,d(W) là tổn hao dẫn của MOSFET, R DS,on là điện trở dẫn của MOSFET, ID,rms
2 là dòng điện hiệu dụng qua MOSFET trong trạng thái dẫn Khi MOSFET ở trạng thái khóa thì nó sẽ không dẫn dòng điện chạy qua nhưng do có diode thì dòng điện có thể được chảy qua diode này và đi từ cực S đến cực
D Diode ngược trên MOSFET có thể mô hình điện như một nguồn điện áp DC
U D 0 mắc nối tiếp với một điện trở R D Từ đó tính toán được điện áp rơi trên diode này khi nó dẫn dòng là:
U D =U DO +R D i F PT 2.8 trong đó U D là điện áp rơi trên diode, i F là dòng điện dẫn qua diode Và tổn hao dẫn trên diode được tính toán với công thức sau:
PD,d=UD.IF,avg+ RD.IF,rms
2 PT 2.9 trong đó PD,d là tổn hao dẫn của diode ngược, IF,avg là dòng điện trung bình qua diode, I F,rms là dòng điện hiệu dụng qua diode.
Tổn hao đóng cắt của MOSFET
Khi xét về tổn hao đóng cắt của MOSFET, điều quan trọng là xác định thời gian mở và đóng Thời gian đóng và mở của MOSFET lại phụ thuộc nhiều vào các thành phần ký sinh Mô hình MOSFET và các thành phần ký sinh có thể được thấy ở hình sau:
Hình 2.4 Các thành phần ký sinh trên MOSFET
Trong mô hình của MOSFET bao gồm các tụ kí sinh mắc nối các cực của MOSFET với nhau là tụ C GD ,C ,C GS DS nối các cực tương ứng là cực G và cực D, cực G và cực S, cực D và cực S và điện trở kí sinh và điện cảm kí sinh Điện cảm kí sinh của MOSFET do độ dài các kênh dẫn gây ra và thông thường giá trị điện cảm này xấp xỉ 1nH/1mm Thành phần tụ điện kí sinh là thứ ảnh hưởng nhiều nhất đến hoạt động của MOSFET trong quá trình đóng cắt Các tụ kí sinh tồn tại giữa các chân của MOSFET và điện dung của các tụ này không phải là hằng số do điện áp giữa các chân thay đổi theo thời gian.
Sự phân tích tổn hao chuyển mạch thực hiện cho MOSFET được điều khiển bởi
IC lái tạo ra điện áp đặt vào cực G của MOSFET để điều khiển đóng cắt van. Trong đó, với điện áp V G,off để điều khiển cắt van và điện áp V G,on để điều khiển đóng van Một điện trở cực cổng là R G được mắc giữa đầu ra của IC lái và cực G của MOSFET
Hình 2.5 Cấu trúc mạch lái MOSFETKhi MOSFET được cấp xung điều khiển vào cực cổng của MOSFET đẩy điện áp cực Gate tăng lên tới mức ngưỡng (threshold) Cho đến khi điện áp cực cổng đạt tới giá trị điện áp ngưỡng V th thì đầu ra của MOSFET không thay đổi Sau khi đạt tới điện áp ngưỡng, hoạt động của MOSFET bước vào vùng Plateu Ở vùng này, tụ điện C GD được sạc làm cho điện áp V DS giảm dần về không Quá trình mở MOSFET được miêu tả ở hình [].
Hình 2.6 Quá trình mở MOSFET Thời gian tăng của dòng điện được tính là: tri=RG.Ciss ln [VG,on−Vth
] PT 2.10 với C iss được tính như sau:
Ciss=CGS+CGD PT 2.11 Để tính thời gian điện áp rơi dễ dàng thì dạng sóng điện áp được coi là tuyến tính Tính xấp xỉ thời gian điện áp rới với cách tuyến tính hóa hai điểm như trong [] được thể hiện bởi công thức: t fv =R G C GD V DS
Như vậy, thời gian để MOSFET mở bằng tổng của thời gian dòng điện tăng và thời gian điện áp giảm Thời gian mở của MOSFET được tính như sau: t on =t ri +t fv PT 2.13
Quá trình MOSFET đóng được mô tả ở hình []
Hình 2.7 Quá trình đóng MOSFET
Quá trình tắt của MOSFET tương tự với quá trình bật Ban đầu, tín hiệu điều khiển của IC đưa ra làm điện áp cực Gate giảm xuống Khi điện áp cực Gate giảm đến mức điện áp vùng Plateu thì điện áp V DS bắt đầu tăng Ở trong vùng Plateu thì điện áp cực Gate không đổi Khi V DS tăng lên bằng điện áp đầu ra, tụ
CGS tiếp tục xả khiến cho VGS tiếp tục giảm xuống Và khi VGS bắt đầu giảm thì
I GS dòng điện cực máng cũng bắt đầu giảm xuống Khi V GS giảm tới mức V GS,th thì dòng điện giảm về không Cũng như ở quá trình mở của MOSFET, thời gian tăng của điện áp và thời gian giảm của dòng điện cũng cần được tính toán. Thời gian tăng của điện áp được tính xấp xỉ như sau: trv=CGD.RG ln [V DS −V GS,pl
Thời gian giảm của dòng điện được tính như sau: tfi=Ciss.RG ln [V GS, pl
Tổng thời gian đóng của MOSFET được tính là: t off =t rv +t fi PT 2.16
Tổn hao đóng cắt của MOSFET được sinh ra tại vùng mà khi cả V DS và I DS cùng đồng thời khác không, hay chính là vùng chồng lên nhau của hai đại lượng này. Kết hợp từ PT 2.7 và 2.10 cùng với thông số của MOSFET, công thức tính toán tổn hao đóng cắt của MOSFET được tính là:
2.I DS,avg V out (t on +t off ) PT 2.17
Việc tính toán tổn hao của MOSFET trong cấu trúc Boost PFC là bắt buộc trước khi bước vào tính toán nhiệt và thiết kế tản nhiệt Tổn hao của MOSFET tính toán được kết hợp với các thông số từ Datasheet có sẵn của MOSFET giúp tính ra giá trị nhiệt độ khi MOSFET hoạt động không gồm tản nhiệt Với giá trị nhiệt độ tính toán được giúp có cơ sở để quyết định có cần phải sử dụng tản nhiệt và đưa ra được trước kết quả mong muốn, từ đó đến bước tiếp theo về tính toán và thiết kế nhiệt.
Tổn hao của Diode
Diode trong cấu trúc mạch Boost PFC có tác dụng chặn dòng xả của tụ đầu ra chạy ngược lại cuộn cảm và MOSFET Do đó, Diode được chọn phải có điện áp ngược tối đa cao hơn điện áp đầu ra bộ biến đổi.
Trong quá trình hoạt động, diode sinh ra hai loại tổn hao là tổn hao dẫn và tổn hao đóng cắt Tổn hao dẫn là do điện trở trong diode gây ra Còn tổn hao đóng cắt là do dòng điện phục hồi sinh ra Tổn hao dẫn của diode được tính theo công thức sau:
PD,cond=VD 0.ID ,avg+RD.ID, rms
Với VD 0 là điện áp mở của diode, RD là điện trở trong của diode, ID,avg là dòng trung bình qua diode, I D,rms là dòng hiệu dụng qua diode.
Tổn hao đóng cắt của diode được tính theo công thức sau:
2 fs.trr.Irr.VDC PT 2.19Với t rr là tổng thời gian chuyển mạch.
Tổn hao cầu chỉnh lưu thấp
Trong cấu trúc Boost PFC, cầu chỉnh lưu thấp V F thường được đặt ở đầu vào để chuyển đổi điện áp xoay chiều đầu vào thành một điện áp một chiều ổn định Để tính toán được tổn hào trên cầu chỉnh lưu cần những thông số chính của bộ biến đổi như là : Điện áp đầu vào, điện áp đầu ra, công suất định mức, tần số đóng cắt, đập mạch điện áp đầu ra và đập mạch dòng điện đầu ra
Tổn hao trên cầu chỉnh lưu gồm hai thành phần là tổn hao dẫn và tổn hao đóng cắt Tuy nhiên, vì các diode cầu đóng cắt với tần số lười 50Hz nên tổn hao đóng cắt sẽ được bỏ qua vì không đáng kể.
Tổn hao dẫn của cầu chỉnh lưu được tính toán như sau:
Trong đó P loss là tổn hao dẫn của cầu chỉnh lưu, V F là điện áp rơi, I avg là dòng điện trung bình chảy qua cầu chỉnh lưu.
TÍNH TOÁN NHIỆT
Nguyên lý truyền nhiệt
Để hiểu rõ nguyên lý truyền nhiệt, mạng nhiệt có thể được quy đổi thành mạng điện, trong đó: điện trở tương đương với nhiệt trở, nhiệt độ tương đương với điện áp, tổn hao tương đương với dòng điện Tương tự với nguyên lý mạch điện, trong mạch nhiệt, nhiệt lượng được truyền từ nơi có nhiệt độ cao xuống nơi có nhiệt độ thấp.
Bài viết đề cập đến ba chế độ truyền nhiệt là truyền dẫn, đối lưu và bức xạ Cũng bởi vì nhiệt và điện có những đặc điểm tương đồng về nguyên lý truyền nên ta có thể mô hình nhiệt để hiểu và phân tích như mô hình điện, nhờ đó có một phương trình cơ bản về nhiệt khá tương đồng với định luật Ohm trong mô hình điện là: q=T2−T1
PT 3.21 trong đó, T 2 và T 1 lần lượt là nhiệt độ của nơi có nhiệt độ cao hơn và nơi có nhiệt độ thấp hơn, R th là nhiệt trở giữa hai nơi, q là cường độ dòng nhiệt.
3.1.1 Quá trình truyền nhiệt trong truyền dẫn
Trong mỗi quá trình truyền nhiệt trong các trường hợp khác nhau sẽ có công thức tính toán nhiệt trở riêng Đầu tiên xét đến quá trình truyền dẫn, sự truyền dẫn là quá trình truyền năng lượng từ hạt này sang hạt khác của môi trường với các hạt tiếp xúc trực tiếp với nhau Quá trình truyền nhiệt bằng truyền dẫn đươc miêu tả ở hình Hình 3.1 và công thức tính toán ở PT.3.2 Ở hình Hình 3.1 nhiệt được truyền từ mặt có nhiệt độ cao T 1 truyền thẳng qua khối hộp đến bên mặt có nhiệt độ thấp T2, bỏ qua phần nhiệt lượng truyền đến và tỏa ra ngoài môi trường ở những mặt còn lại của khối hộp.
Hình 3.8 Truyền nhiệt trong truyền dẫn Nhiệt trở truyền dẫn được tính như sau:
PT 3.2 trong đó Rth,cd là nhiệt trở truyền dẫn, k là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, A là diện tích mặt cắt ngang, L là chiều dài của vật liệu.
3.1.2 Quá trình truyền nhiệt trong đối lưu
Tiếp theo là quá trình truyền nhiệt bằng đối lưu được miêu tả ở hình Hình 3.2 và công thức tính toán nhiệt trở đối lưu ở PT.3.3, đối lưu là sự chuyển động của các phân tử chất lỏng từ nơi có nhiệt độ cao hơn đến nơi có nhiệt độ thấp hơn Nhiệt lượng tại bề mặt Ts được đối lưu ra ngoài môi trường có nhiệt độ thấp hơn là T∞.
Hình 3.9 Truyền dẫn trong đối lưu Nhiệt trở đối lưu được tính như sau:
PT 3.3 trong đó Rth,cv là nhiệt trở đối lưu, h là hệ số truyền nhiệt của không khí ,A là diện tích bề mặt
3.1.3 Quá trình truyền nhiệt bức xạ
Còn có một quá trình truyền nhiệt nữa là quá trình bức xạ, bức xạ nhiệt là kết quả của quá trình dao động điện từ bên trong các nguyên tử, phân tử vật chất Các dao động điện từ này được truyền trong không gian theo mọi phương dưới dạng các sóng điện từ Với một vật thể, ta tính toán dòng bức xạ là lượng nhiệt bức xạ phát ra từ một vật thể (ở đây vật thể đang xét đến là tấm tản nhiệt được coi là vật xám) với mọi bước sóng trong một đơn vị thời gian Q (W) như sau:
.S PT 3.4 trong đó : C 1 và C 2 là các hằng số Planck C 1 = 0,347.10 −15 (W.m 2 ) ,C 2 = 1,4388.10 −2 (m.K) , λ là bước sóng của tia nhiệt (m) , T là nhiệt độ tuyệt đối của vật (K), S là diện tích vật thể đang xét (m 2 ) , ε là hệ số tỷ lệ
Hoặc ta có thể tính bằng công thức sau:
Q=ε σ0.T 4 PT 3.5 trong đó : σ 0 là hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối = 5,67.10 −8 ( W m 2 K 4 ¿
Với nhiệt độ hoạt động của MOSFET và Heatsink của bài viết này thì lượng nhiệt bức xạ tính toán là không đáng kể nên sẽ bỏ qua tính toán nhiệt trở của quá trình bức xạ
Còn một yếu tố nữa cũng có liên quan đến giá trị của nhiệt trở mà ta tính toán đó là nhiệt dung riêng của vật liệu làm tấm tản nhiệt Nhiệt dung riêng là lượng nhiệt cần thiết để làm thay đổi nhiệt độ của 1kg khối lượng thêm 1℃ Vậy nên với vật liệu làm tấm tản nhiệt có nhiệt dung riêng càng lớn thì nhiệt trở sẽ càng nhỏ.
Mô hình cấu trúc của hệ thống tản nhiệt
3.2.1 Cấu trúc hệ thống tản nhiệt
Hình 3.10 Cấu trúc hệ thống tản nhiệt và mạch điện tương đương
Một hệ thống tản nhiệt làm mát sẽ bao gồm đầu tiên là thiết bị cần làm mát (là các linh kiện bán dẫn cần tản nhiệt trong mạch như MOSFET), thiết bị cần làm mát sẽ được gắn áp sát vào tản nhiệt và nằm giữa đó là lớp keo tản nhiệt (TIM) nhằm làm giảm bớt các lỗ hổng không khí giữa hai mặt tiếp xúc và từ đó tăng khả năng truyền nhiệt lên tấm tản nhiệt Nhiệt lượng được truyền lên tấm tản nhiệt được truyền đối lưu ra ngoài môi trường và làm giảm nhiệt độ của thiết bị cần làm mát Ở bài viết này xét đến hai phương pháp tản nhiệt là tản nhiệt với đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức Đối lưu tự nhiên sẽ chỉ tận dụng các dòng chảy không khí tự nhiên để làm mát.
Hình 3.3 minh họa ví dụ về mạch nhiệt làm mát cho hai nguồn nhiệt, từ nguồn nhiệt dòng nhiệt đi qua ba nhiệt trở lần lượt là: nhiêt trở giữa từ nơi phát nhiệt đến vỏ (R jc¿, tiếp đó là nhiệt trở của lớp keo tản nhiệt (R cs¿ và cuối cùng là tổng của nhiệt trở truyền dẫn và đối lưu của tấm tản nhiệt (R hs ¿ Dựa vào mô hình này cùng với nhiệt độ môi trường (T amb¿ và nhiệt độ tối đa của MOSFET (T j,max¿ ta có thể tính được tổng nhiệt trở tối đa của mô hình nhiệt trên, với tổng nhiệt trở sẽ là tổng của ba nhiệt trở nói trên theo công thức sau:
R hs,max =T j,max −P l,max (R jc+R cs )−T amb
PT 3.6 trong đó, P l, max là công suất tổn hao lớn nhất của một linh kiện bán dẫn (nhưMOSFET) trong hệ thống tản nhiệt nhiều linh kiện bán dẫn và P l.total là công suất tổn hao tổng của tất cả các linh kiện bán dẫn
Hình 3.11 Mô hình hóa nhiệt trở của tấm tản nhiệt
Các nhiệt trở được quy đổi trong mô hình nhiệt ở hình Hình 3.4 bao gồm: R hs,b là nhiệt trở truyền dẫn của tấm đế của tấm tản nhiệt, R hs,ba là nhiệt trở đối lưu của đế tản nhiệt và R hs,f là nhiệt trở gộp của cả nhiệt trở truyền dẫn và nhiệt trở đối lưu của cánh tản nhiệt Viêc tính toán R hs là nhiệt trở của cả tấm tản nhiệt được tính như tính điện trở tương đương trong mạch điện chỉ khác là thay các điện trở thành nhiệt trở
3.2.2 Tản nhiệt bằng đối lưu cưỡng bức
Phương pháp tản nhiệt bằng đối lưu cưỡng bức khác biệt với đối lưu tự nhiên là có sử dụng thêm quạt tản nhiêt Mô hình nhiệt được đưa ra nhằm tính toán nhiệt trở của tấm tản nhiệt Có nhiều cách để mô hình của tản nhiệt nhưng trong bài viết này tiếp cận và sử dụng phương pháp được trình bày trong [10] [11] Nhiệt trở của quá trình bức xạ sẽ không được đưa vào trong mô hình do ảnh hưởng của nó trong trường hợp làm mát cưỡng bức là không đáng kể, có thể bỏ qua Tập trung vào tính toán nhiệt trở truyền dẫn và đối lưu.
Việc mô hình tính toán nhiệt trở sẽ được đưa về từ bài toán ba chiều xuống còn hai chiều dựa trên sự phân tích mạng nhiệt Khi sử dụng quạt làm mát sẽ phải xét đến đặc tính của sự sụt áp suất của hệ thống tản nhiệt và đồ thị đặc tính của quạt.
Cả hai đặc tính trên đều gây ảnh hưởng đến tốc độ dòng chảy đối lưu qua các kênh của tấm tản nhiệt và làm thay đổi giá trị nhiệt trở của tấm tản nhiệt Từ đường đồ thị của hai đặc tính trên cần xác định được điểm làm việc của quạt và tính ra được tốc độ dòng đối lưu cưỡng bức.
Hình 3.12 Mô hình tản nhiệt bằng đối lưu cưỡng bức
Tính toán nhiệt trở
3.3.1 Tính toán nhiệt trở của tấm tản nhiệt
Nhiệt trở được tính toán theo các công thức lấy thông số kích thước của tấm tản nhiệt bao gồm: W là chiều rộng của tấm tản nhiệt, L là chiều dài của tấm tản nhiệt, H là chiều cao cánh tản nhiệt, t là bề dày của cánh tản nhiệt, t b là độ dày mặt đế tấm tản nhiệt, b là độ rộng của kênh tản nhiệt Các thông số kích thước của tản nhiệt được miêu tả ở hình Hình 3.5 Từ mô hình hóa nhiệt thì toàn bộ các công thức tính toán nhiệt trở được đưa ra.
Nhiệt trở truyền dẫn của đế tản nhiệt được tính toán như sau
PT 3.7 trong đó, khs là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm tấm tản nhiệt Để tính toán nhiệt trở đối lưu của đế tản nhiệt và của cánh tản nhiệt cần có một vài hệ số cần tính toán trước như: số Nusselt Nub (là tỷ lệ của nhiệt trở đối lưu và nhiệt trở truyền dẫn tại biên của dòng chảy không khí), số Prandtl, số Reynolds và hệ số truyền nhiệt của không khí h sẽ phụ thuộc vào các hệ số được đưa ra trước Theo [10] , số Nusselt được thể hiện qua công thức sau:
Nub=¿ ¿ PT 3.8 trong đó, ℜb ¿ được tính theo số Reynolds của dòng chảy ℜ b Số Reynolds là một đặc tính của dòng chảy phụ thuộc vào vận tốc của dòng chảy
PT 3.9 và Pr là số Prandtl có công thức tính toán như sau
PT 3.11 trong đó, V là vận tốc trung bình của dòng chảy đối lưu chảy qua các kênh tản nhiệt, v là độ nhớt động học của không khí và α là hệ số phân tán nhiệt của không khí Xét dưới điều kiện nhiệt độ không khí là 300K và áp suất 1 atm, v 18,4.10 −6 (m 2 /s¿, α = 28,8.10 −6 (m 2 /s¿
Từ số Nusselt đã được tính toán như ở trên, hệ số truyền nhiệt của không khí h được tính theo công thức sau h=Nub.kair b
PT 3.122 trong đó, kair là hệ số dẫn nhiệt của không khí ( ở 300K và áp suất 1atm thì kair 26,1.10 −3 (W.m −1 K −1 ), và từ đó công thức tính nhiệt trở đối lưu của đế tản nhiệt
Còn lại việc tính toán nhiệt trở của một cánh tản nhiệt bao gồm cả nhiệt trở truyền dẫn và nhiệt trở đối lưu được tính toán theo công thức sau
R hs,f =1 ¿ ¿ PT 3.14 trong đó P là chu vi của cánh tản nhiệt và A c là diện tích mặt cắt của nó được tính toán như sau m=√ k h P hs A c
Từ toàn bộ các nhiệt trở thành phần đã tính toán thì nhiệt trở của toàn bộ tấm tản nhiệt được đưa ra
3.3.2 Tính toán nhiệt trở của lớp keo tản nhiệt (TIM)
Lớp keo tản nhiệt sẽ nằm giữa hai bề mặt tiếp xúc giữa MOSFET và tấm tản nhiệt Do bề mặt của tấm tản nhiệt và lớp vỏ của MOSFET sẽ không thể hoàn toàn bằng phẳng, nếu áp trực tiếp MOSFET vào tấm tản nhiệt thì giữa hai lớp sẽ còn tồn tại các lỗ hổng không khí Các lỗ hổng không khí này cản trở việc truyền dẫn nhiệt rất lớn do có nhiệt trở rất lớn nên cần sử dụng lớp keo tản nhiệt để loại bỏ các khe hở không khí một cách tối đa Công thức tính toán cho giá trị nhiệt trở của TIM như sau:
PT 3.18 trong đó RTIM là nhiệt trở của lớp keo tản nhiệt, ATIM là diện tích tiếp xúc của lớp keo tản nhiệt, L TIM là độ dày của lớp keo tản nhiệt, k TIM là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu keo tản nhiệt.
Xác định điểm hoạt động của quạt
3.4.1 Mối quan hệ giữa nhiệt trở tản nhiệt và tốc độ dòng đối lưu Ở phần tính toán nhiệt trở của tấm tản nhiệt đươc đưa ra từ PT 3.7 đếm PT 3.17 các thông số như số Reynolds, số Nusselt và hệ số truyền nhiệt h đều bị tác động ảnh hưởng bởi tốc độ dòng chảy không khí qua các kênh tản nhiệt Từ đó việc tính toán nhiệt trở thành phần cũng như nhiệt trở toàn bộ tấm tản nhiệt cũng phụ thuộc vào tốc độ dòng đối lưu Với tốc độ dòng đối lưu qua các kênh tản nhiệt càng lớn thì nhiệt trở tản nhiệt càng giảm.
Như thể hiện trên Hình 3.6 cho thấy sự phụ thuộc giữa tốc độ dòng đối lưu và nhiệt trở tấm tản nhiệt Hiệu quả của làm mát đối lưu cưỡng bức, tức là độ giảm nhiệt trở trên độ tăng tốc độ dòng đối lưu là giảm đáng kể Theo đồ thị vận tốc dòng đối lưu khoảng dưới 5m/s cho hiệu quả tốt Trong khoảng này nhiệt trở giảm tới gần bốn lần so với nhiệt trở trong đối lưu tự nhiên cua tản nhiệt Bởi vậy, việc thiết kế hệ thống tản nhiệt muốn đạt được hiệu quả cao cần có sự tham gia của quạt làm mát.
Hình 3.13 Đồ thị liên hệ giữa nhiệt trở tản nhiệt và tốc độ dòng đối lưu
3.4.2 Độ sụt áp suất trong hệ thống tản nhiệt
Trong quá trình làm mát bằng đối lưu cưỡng bức bới quạt tản nhiệt, việc tính toán độ sụt áp suất của hệ thông tản nhiệt là điều cần thiết Dòng chảy đối lưu được tạo ra bởi quạt làm mát có vận tốc phụ thuộc vào độ sụt áp của hệ thống tản nhiệt Khi độ sụt áp của hệ thống tản càng lớn thì lưu lượng dòng chảy qua các kênh tảnh nhiệt càng nhỏ (với cùng một quạt tạo ra dòng đối lưu cưỡng bức đi qua tấm tản nhiệt )
Theo [10] [11] [12], độ sụt áp của hệ thống tản nhiệt ∆P và giải thích chi tiết các hệ số ma sát được tính toán như sau:
3.19 trong đó, ρ là mật độ không khí ( tại điều kiện nhiệt độ là 27 ℃ thì ρ=1,184 kg/m 3 ) Đường kính thủy lực, Dh, xấp xỉ bằng 2 b trong đó b là khoảng cách giữa các cánh tản nhiệt được cho bởi b=W −N t
Các hệ số K c ,K e biểu thị tổn thất áp suất do sự co giãn đột ngột của dòng chảy vào và ra khỏi các kênh dòng tản nhiệt giữa các cánh tản nhiệt Các hệ số này có thể được xác định bằng cách sử dụng
Ke=(1−σ 2 ) 2 PT 3.22 trong đó, σ là tỷ lệ diện tích của các kênh dòng chảy với diện tích của dòng chảy tiếp cận tản nhiệt và được tính bằng σ =N t W
Vận tốc trung bình để sử dụng có liên quan đến tốc độ dòng khí thể tích, G, được tính như sau
Hệ số ma sát biểu kiến, f , đối với dòng chảy tầng phát triển thủy động lực học có liên quan đến hệ số ma sát, f, đối với dòng chảy phát triển đầy đủ và có thể được tính từ fapp [( 3,44 √ L ¿ ) 2 + ( f R e ) 2 ] 1/ 2
PT 3.25 với L ¿ được cho bởi
PT 3.26 còn số Reynolds được tính như sau
PT 3.27 trong đó μ là độ nhớt động học của không khí
Hệ số ma sát đối với dòng chảy tầng được sử dụng ở PT3.19 là hàm của cả hai tỷ lệ khung hình λ= b
H của các kênh dòng tản nhiệt và số Reynold được đưa ra bởi f =(24−32,527 λ+46,721.λ 2 −40,829.λ 3 +22,954.λ 4 −6,098 λ 5 PT 3.28
Sử dụng các phương trình tính toán từ PT3.6 đến PT3.15 để vẽ được đồ thị sụt áp của tấm tản nhiệt, thể hiện độ sụt áp gây ra bởi tản nhiệt phụ thuộc vào hàm bậc hai của vận tốc dòng chảy nhân với sức ản dòng chảy.
3.4.3 Đặc tính của quạt làm mát và điểm làm việc của quạt
Sau khi đã phân tích và trình bày đồ thị miêu tả mối tưởng quan giữa vận tốc dòng đối lưu và sự sụt giảm áp suất của hệ thống tản nhiệt Đồ thị được vẽ dựa trên đặc tính ∆P V− của hệ thống tản nhiệt Từ đó cho thấy tốc độ dòng chảy càng lớn thì độ sụt áp của tản nhiệt càng tăng Ở phần này xét đến mối tương quan giữa lưu lượng thể tích do quạt làm mát tạo ra và độ sụt áp suất sẽ được thể hiện qua đồ thị đường đặc tính của quạt ∆Pfan−V Đồ thị đường đặc tính sụt áp của quạt có thể được lấy trong datasheet của từng loại quạt Điểm hoạt động của quạt sẽ được xác định bằng cách tìm giao điểm giữa hai đường đặc tính của hệ thống tản nhiệt và của quạt làm mát ( của ∆P V− và ∆Pfan−V ) Như ở hình Hình 3.6, sau khi tìm được điểm hoạt động của quạt dễ dàng xác định được lưu lượng thể tích làm mát qua tấm tản nhiệt và từ đó xác định vận tốc dòng chảy đối lưu cưỡng bức Từ đó tính toán lại giá trị nhiệt trở của toàn bộ tấm tản nhiệt R hs với đối lưu cưỡng bức.
40 Đường đặc tính quạt tản nhiệt Đường đặc tính sụt áp Hình 3.14 Đồ thị ví dụ về điểm giao nhau giữu đặc tính quạt và đặc tính sụt áp
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG
Kết quả tính toán nhiệt của van bán dẫn khi không sử dụng tản nhiệt
Cấu trúc Boost sử dụng 3 loại phần tử bán dẫn khác nhau và mỗi loại sử dụng 2 phần tử Ba loại phần tử bán dẫn là chỉnh lưu cầu VF thấp GBU15L06 của hãng MCC, MOSFET IPZA60R037P7 của hãng Infineon và SiC Schottky Diode mã IDH06G65C6 của hãng Infineon
Với các thông số lấy được từ Datasheet của ba loại phần tử bán dẫn trên cùng với phần công thức tính toán được trình bày ở chương 2 và thông số của mạch Boost PFC, từ đó đưa ra được kết quả tổn hao của ba loại phần tử bán dẫn là: + Chỉnh lưu cầu VF thấp GBU15L06 tổn hao là W1= 8.1W.
+ MOSFET IPZA60R037P7 tổn hao là W2= 3W.
+ SiC Schottky Diode IDH06G65C6 tổn hao là W3= 3.5W.
4.1.2 Nhiệt độ hoạt động của các phần tử bán dẫn
Thông số nhiệt trở từ lõi của các phần tử bán dẫn đến vỏ và từ vỏ ra ngoài môi trường lấy từ Datasheet lần lượt là:
+ Chỉnh lưu cầu VF thấp GBU15L06 : Nhiệt trở R th, jc1 = 1.8°C/W từ lõi đến vỏ và Nhiệt trở Rth, ja1= 23°C/W từ vỏ ra ngoài môi trường.
+ MOSFET IPZA60R037P7 tổn hao là : Nhiệt trở R th, jc2 = 0.49°C/W từ lõi đến vỏ và Nhiệt trở Rth, ja2 = 62°C/W từ vỏ ra ngoài môi trường.
+ SiC Schottky Diode IDH06G65C6 tổn hao là : Nhiệt trở R th, jc3 = 2.8°C/W từ lõi đến vỏ và Nhiệt trở R th, ja3 = 62°C/W từ vỏ ra ngoài môi trường.
Xét môi trường để tính toán là ở nhiệt độ 27 ℃ hay 300 K và áp suất là 1atm Áp dụng PT 3.1 ở Chương 3 tính toán được nhiệt độ tại lõi của từng phần tử bán dẫn trên như sau:
+ Nhiệt độ tại lớp Jucntion của GBU15L06 là:
+ Nhiệt độ tại lớp Junction của MOSFET là:
+ Nhiệt độ tại lõi của SiC Diode là:
Khi không sử dụng thiết bị tản nhiệt cho ra nhiệt độ các phần tử bán dẫn ở mức cao hơn sao với mức nhiệt độ trong khoảng hoạt động tốt được đề cập trong Datasheet Vì vậy việc sử dụng hệ thống tản nhiệt là cần thiết. Ở đây khoảng nhiệt độ hoạt động mong muốn của các phần tử bán dẫn là nhỏ hơn T wp ℃, từ đó tính toán được nhiệt trở tối đa của tấm tản nhiệt là:
Nhiệt trở của lớp keo tản nhiệt được chọn là RTIM=0,3 ℃/W.
Kết quả tính toán và mô phỏng với đối lưu tự nhiên
Tính toán nhiệt trở của tấm tản nhiệt trong trường hợp đối lưu tự nhiên Môi trường để tính toán là ở nhiệt độ 27 ℃ và áp suất là 1atm Tốc độ dòng đối lưu tự nhiên được chọn là 0.31 m/s Hình ảnh của tấm tản nhiệt dưới dạng 2D được mô tả như hình Hình 4.1 Hình ảnh của tấm tản nhiệt dưới dạng 3D được mô tả như Hình 4.2.
Hình 4.15 Hình ảnh tấm tản nhiệt dưới dạng 2D
Hình 4.16 Hình ảnh tấm tản nhiệt dưới dạng 3D
Tất cả những phân tích lý thuyết cùng công thức tính toán nhiệt trở thành phần và nhiệt trở của toàn bộ tấm tản nhiệt kết hợp với những thông số đo đạc được của tấm tản nhiệt như độ dài, độ rộng, số cánh, bề dày cánh, bề dày tấm đế,… Từ đó tính toán được nhiệt trở
Hình 4.17 Thông số của tấm tản nhiệt Áp dụng các công thức tính toán được nêu ra ở mục 3.3 ở Chương 3 và các thông số đo đạc được tính ra được giá trị nhiệt trở của tấm tản nhiệt trong đối lưu tự nhiên bằng : R heatsink,tn=3,32 ℃/W.
Với mức giá trị nhiệt trở của tấm tản nhiệt hiện tại vẫn chưa đạt thỏa mãn nhỏ hơn giá trị R heatsink,max nên cần sử dụng thêm quạt làm mát để tăng hiệu quả. Khi đã biết giá trị nhiệt trở của tấm tản nhiệt tiếp tục tính toán nhiệt độ tại lõi của từng phần tử bán dẫn theo công thức ở Chương 3 có được kết quả sau:
Bảng 1 Kết quả tính toán nhiệt độ đối lưu tự nhiên
Nhiệt độ tại lõi của GBU15L06 140,95 ℃
Nhiệt độ tại lõi của IPZA60R037P7 126,31℃
Nhiệt độ tại lõi của IDH06G65C6 134,79 ℃
Việc mô phỏng sử dụng phần mềm Ansys Electronics Desktop 2021 với kịch bản là: Xếp 6 phần tử bán dẫn xem kẽ và lần lượt đặt cạnh nhau và ốp vào cạnh của tấm tản nhiệt qua lớp keo tản nhiệt Để tốc độ đối lưu tự nhiên là v tn=0,31m/ s. Các thông số của tấm tản nhiệt và các phần tử bán dẫn được lấy ở mục 4.1, lấy kết quả mô phỏng trên phần mềm mô phỏng như hình 4.4 và so sánh với kết quả tính toán
Hình 4.18 Hình ảnh mô phỏng trên Ansys
Mô phỏng cho thấy kết quả tại lớp lõi của các phần tử bán dẫn luôn vì trong lắp đặt mô phỏng các phần tử bán dẫn được chia đôi và nhiệt được tỏa ra từ lõi Kết quả mô phỏng và so sánh với tính toán như sau:
Bảng 2 Kết quả so sánh tính toán và mô phỏng trên Ansys
Tính toán Mô phỏngNhiệt độ lõi của GBU15L06 140,95 ℃ 139 ℃Nhiệt độ lõi của IPZA60R037P7 126,31℃ 125 ℃Nhiệt độ lõi của IDH06G65C6 134,79 ℃ 133 ℃Kết quả tính toán và mô phỏng được cho trên bảng 2 Có thể thấy rằng sai lệch giữa tính toán và mô phỏng khoảng 1-2% và được chấp nhận.
Kết quả tính toán và mô phỏng với đối lưu cưỡng bức
Trong môi trường đối lưu cưỡng bức với quạt tản nhiệt để tính toán được nhiệt trở của tấm tản nhiệt và nhiệt độ lõi của các phần tử cần phải tìm được điểm hoạt động của quạt trước tiên. Để tìm được điểm hoạt động của quạt như đã trình bày ở mục 3.4 ở Chương 3 cần vẽ được đồ thị đặc tính sụt áp của tấm tản nhiệt và có đồ thị đặc tính quạt tản nhiệt lấy từ Datasheet Quạt được sử dụng trong bài toàn này là quạt mã FFB0412HN của hãng DELTA.
Từ các thông số đo đạc được của tấm tản nhiệt với công thức tính toán ở Chương
3 vẽ được đồ thị sụt áp của tấm tản nhiệt theo hai trục với đơn vị lần lượt là mét khối trên phút (m 3 /min) và mmH 2 0 như hình 4.5.
Hình 4.19 Đồ thị đặc tính sụt áp của tấm tản nhiệt
Từ Datasheet của quạt tản nhiệt FFB0412HN có đồ thị đặc tính của quạt như hình 4.6.
Hình 4.20 Đồ thị đặc tính của quạt tản nhiệt
Lấy giao điểm của hai đồ thị đặc tính sụt áp và đăc tính của quạt cho ra được điểm hoạt động của quạt như hình 4.7 dưới đây.
40 Đường đặc tính quạt tản nhiệt Đường đặc tính sụt áp Hình 4.21 Giao giữa đồ thị đặc tính quạt và đặc tính sụt áp Điểm làm việc tìm được có giá trị là 0,26m 3 /minvà1,44mmH20 Từ đó tính toán giá trị nhiệt trở mới của tấm tản nhiệt khi có sử dụng quạt tản nhiệt được nêu ở bảng 3.
Bảng 3 Kết quả tính toán trong đối lưu cưỡng bức
Giá trị điểm làm việc X 0,26 m 3 /min;1,44mmH20
Vận tốc dòng đối lưu V 4,05 m/ s
Nhiệt trở đối lưu cưỡng bức R th 0,371 ℃/W
Với giá trị nhiệt trở đối lưu cưỡng bức mới tính toán được giá trị mới của nhiệt độ tại lõi của các phần tử bán dẫn như dưới bảng 4.
Bảng 4 Kết quả tính toán nhiệt trong đối lưu cưỡng bức
Nhiệt độ lõi của GBU15L06 54,84 ℃
Nhiệt độ lõi của IPZA60R037P7 40,21 ℃
Nhiệt độ lõi của IDH06G65C6 48,68 ℃
Việc mô phỏng sử dụng phần mềm Ansys với kịch bản là: Xếp 6 phần tử bán dẫn xem kẽ và lần lượt đặt cạnh nhau và ốp vào cạnh của tấm tản nhiệt qua lớp keo tản nhiệt Với vận tốc dòng đối lưu cưỡng bức là v cb=4,05 m/s Các thông số của tấm tản nhiệt và các phần tử bán dẫn được lấy ở mục 4.1, lấy kết quả mô phỏng ở hình 4.8 và so sánh với kết quả tính toán
Hình 4.22 Kết quả mô phỏng đối lưu cưỡng bức
So sánh kết quả tính toán và mô phỏng được thể hiện ở bảng 5.
Bảng 5 Kết quả so sanh giữa tính toán và mô phỏng trên Ansys
Tính toán Mô phỏng Nhiệt độ lõi của GBU15L06 54,84 ℃ 53,55 ℃ Nhiệt độ lõi của IPZA60R037P7 40,21 ℃ 42,87 ℃ Nhiệt độ lõi của IDH06G65C6 48,68 ℃ 50,48 ℃
Có thể thấy rằng sai lệch giữa tính toán và mô phỏng là nhỏ hơn 10% và được chấp nhận Về phần sai số có thể đến từ những yếu tố như : sai số trong tính toán nhiệt trở, sai số trong việc vẽ đồ thị sụt áp của tấm tản nhiệt, do khoảng cách của quạt quá gần hoặc quá xa Khi sử dụng quạt làm mát để nâng cao hiệu suất tản nhiệt cho thấy được hiệu quả rõ rệt, với đối lưu tự nhiên nhiệt độ lõi các phần tử bán dẫn đều nằm trong khoảng 120-140℃ còn vói đối lưu cưỡng bức nhiệt độ lõi các phần tử chỉ còn nằm trong khoảng từ 40-55℃ Nhiệt độ trong trường hợp đối lưu cưỡng bức đã đạt mong muốn đề ra ban đầu là khoảng nhiệt mong muốn nhỏ hơn 70℃ Vì vậy bài toán nhiệt được giải quyết khi bổ sung thêm quạt tản nhiệt
