パワースイッチングデバイスの冷却

この論文の概要は、[Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro]によって発行された[「Cooling of Power Switching Device」]という論文に基づいて作成されました。

1. 概要:

  • タイトル: パワースイッチングデバイスの冷却 (Cooling of Power Switching Device)
  • 著者: Syaoqi Muttaqin (21060112130034)
  • 発行年: 論文には明記されていませんが、参考文献のアクセス日を基準に2015年頃と推定されます。
  • 発行学術誌/学会: Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro (ディポネゴロ大学工学部電気工学科)
  • キーワード: スイッチング損失 (Switching Losses)、ヒートシンク (Heatsink)
Cooling of Power Switching Device
Cooling of Power Switching Device

2. 抄録または序論

抄録:

電気機械の使用において、パワーエレクトロニクス部品の必要性は非常に重要です。パワーエレクトロニクス部品は、使用される電気機械の性能を調整するスイッチングデバイスとして機能します。問題点は、スイッチングプロセスが半導体のスイッチング損失につながる接合部温度の上昇を引き起こすことです。パワーエレクトロニクス部品の信頼性と寿命は、部品が到達した接合部温度に対応しています。半導体におけるスイッチングプロセスによる熱は、部品を過度の温度上昇から保護するために、可能な限り損失電力の形で外部に放出される必要があります。したがって、スイッチングプロセスによる温度上昇に対処するための熱システム設計と冷却方法が非常に重要です。ヒートシンクは、システム外に熱を伝達する上で重要な役割を果たす主要部品です。本論文では、スイッチング部品の冷却に関連する様々な冷却方法と、それに関連する理論的分析について説明します。

I. 序論

電気機械の使用において、パワーエレクトロニクス部品は、使用される電気機械の性能を調整するスイッチングデバイスとして機能します。問題点は、スイッチングプロセスが半導体のスイッチング損失につながる接合部温度の上昇を引き起こすことです。パワーエレクトロニクス部品の信頼性と寿命は、部品が到達した接合部温度に対応しています。接合部温度が10℃低下するごとに、寿命は2倍以上に延びます [1]。

半導体におけるスイッチングプロセスによる熱は、部品を過度の温度上昇から保護するために、可能な限り損失電力の形で外部に放出される必要があります。ヒートシンクと熱抵抗は、パワーエレクトロニクスデバイスの冷却システム設計を決定する上で重要な部品および要素であり、システム外に熱を放出する役割を果たします [2]。アプリケーションには、様々な種類のスイッチング部品冷却方法と、最大の冷却結果を得るための理論的考察が存在します。

3. 研究背景:

研究テーマの背景:

電気機械の応用分野において、パワーエレクトロニクス部品は不可欠であり、これらの機器の性能を調整するスイッチングデバイスとして機能します。主な課題は、スイッチングプロセス自体が接合部温度の上昇を引き起こすことです。この温度上昇は、半導体におけるスイッチング損失と直接的に関連しています。

既存研究の現状:

パワーエレクトロニクス部品の信頼性と寿命は、経験する最大接合部温度と本質的に結びついています。半導体におけるスイッチングプロセス中に生成された熱は、過度の温度上昇とその後の損傷を防ぐために効率的に放散される必要があります。結果として、効果的な熱システムと冷却方法の設計は、スイッチングによって引き起こされる温度上昇を管理する上で最も重要です。ヒートシンクは、これらのシステムにおいて重要な部品であり、システム外に熱を伝達する上で重要な役割を果たします [2]。

研究の必要性:

スイッチング部品に適用可能な様々な冷却方法を理解することが重要です。さらに、これらの方法の動作原理と有効性に関する理論的理解を提供する理論的分析が必要です。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

本論文は、様々な冷却方法とそれに関連する理論的分析を提示することにより、スイッチング部品の冷却を明らかにすることを目的としています。

主要研究:

本研究の主な焦点は、スイッチング部品に関連する様々な冷却方法論を探求し、その動作原理と有効性に関する理論的理解を提供することです。

研究仮説:

公式な仮説として明示されていませんが、基本的な前提は、適切な冷却方法の慎重な選択と適用が、スイッチングデバイスで発生する熱を効果的に管理できるということです。この管理は、最適なシステム性能を維持し、パワーエレクトロニクス部品の寿命を保証するために非常に重要です。

5. 研究方法論

研究設計:

本論文は、文献レビューと理論的説明に基づく記述的研究設計を採用しています。

データ収集方法:

提示された情報は、既存の文献と、熱管理および電子機器冷却分野で確立された理論的原理を総合したものです。

分析方法:

分析は主に理論的であり、様々な冷却方法の原理とその数学的表現に焦点を当てています。

研究対象と範囲:

本論文の範囲は、パワースイッチングデバイスに適用可能な様々な冷却技術を含みます。主な探求領域には、熱抵抗、スイッチング損失、様々な種類のヒートシンク、空気および液体冷却方法論が含まれます。

6. 主要な研究結果:

主要な研究結果:

本論文では、パワースイッチングデバイスの冷却に関するいくつかの重要な側面を詳細に説明しています。

  • 熱抵抗 (Thermal Resistance): ワットあたりの温度上昇率 (°C/W) として定義および説明されています。仮想接合部から周囲空気までの総熱抵抗 (Roj-a) は、次の式で表されます。 Roj-a = Roj-c + Rec-ax (Rec-s + Res-a) / (Rec-a + Rec-s + Res-a)
  • スイッチングデバイス損失 (Switching Device Losses): 総電力損失 (Pd) は、スイッチング過渡損失 (Ps)、オン状態損失 (Pc)、駆動入力デバイス損失 (PG)、オフ状態リーク損失 (Pl) の合計です。抵抗負荷の場合、スイッチング過渡損失 (Ps) は次のようになります。 P=VItf 誘導負荷の場合、スイッチング過渡損失 (Ps) は次のようになります。 P = VImtf 伝導電力損失 (Pc) は次のようになります。 P = δI²Ron
  • ヒートシンクの種類 (Heatsink Types): 次のような様々な種類のヒートシンクについて議論します。
    • 押し出しフィン (Extruded fins)
    • 鋳造フィン (Casted fins)
    • 修正鋳造フィン (Modified Casted-fins)
    • ボンド/製造フィン (Bonded/fabricated fins)
    • 鍛造/スタンプフィン (Forged/Stamped fins)
    • 機械加工フィン (Machined fins)
    • フローデッド/コンボリュートフィン (Floded/Convoluted fins)
    • スカイブフィン (Skived fins)
    • スウェージフィン (Swaged fins)
  • 冷却方法 (Cooling Methods): 様々な冷却方法を探求します。
    • ファンとブロワーによる空冷 (Air Cooling with Fans and Blowers): 軸流ファンと遠心ファンを活用。放散されるエネルギーは次のようになります。 PD = mf × Cp × ΔT 必要な体積流量 (G) は次のようになります。 G = P / (ρ× Cp × ΔT)
    • 間接液体冷却 (Indirect Liquid Cooling): ヒートパイプとコールドプレートを含む。
      • ヒートパイプ の動作サイクルは4つの段階で説明されています。
      • コールドプレート は、さらにチューブ型、ガンドリル型、真空ろう付け内部フィン型に分類されます。
    • 直接液体冷却 (Direct Liquid Cooling): 液浸冷却と液体ジェット衝突冷却を含む。
    • 固体冷却 (Solid State Cooling): 熱電冷却器 (TEC) を使用し、性能係数 (COP) は次のように定義されます。 CoP = Pcold / Ptec = Pcold / (Vtec × Ite)

提示されたデータの分析:

本論文には、説明を裏付ける図と回路図データが含まれています。

  • Gambar 1. 熱放散モデル (Thermal dissipation model): 接合部から周囲空気までの熱抵抗ネットワークを示しています。
  • Gambar 2. 等価回路 (Equivalent circuit): 熱放散モデルの電気的等価回路を示しています。
  • Gambar 3. ヒートシンクの寸法が熱抵抗に与える影響 (Dimensi heatsink mempengaruhi thermal resistance): ヒートシンクの寸法とその熱抵抗への影響を描写しています。
  • Gambar 4. オン-オフ過渡状態における電流および電圧波形の形状 (a) 誘導負荷 (b) 抵抗負荷 (Bentuk gelombang arus dan tegangan saat kondisi transisi on-off (a) beban induktif (b) beban resistif): 誘導負荷および抵抗負荷に対するスイッチング過渡状態中の電流および電圧波形を示しています。
  • Gambar 5. ボンドフィン (Bonded fin): ボンドフィンヒートシンクの画像。
  • Gambar 6. 鍛造フィン (Forged fin): 鍛造フィンヒートシンクの画像。
  • Gambar 7. フローデッドフィン (Floded fin): フローデッドフィンヒートシンクの画像。
  • Gambar 8. スカイブフィン (Skived fin): スカイブフィンヒートシンクの画像。
  • Gambar 9. 機械加工フィン (Machined fin): 機械加工フィンヒートシンクの画像。
  • Gambar 10. スウェージフィン (Swaged fin): スウェージフィンヒートシンクの画像。
  • Gambar 11. コスト対熱抵抗の比較グラフ (Grafik perbandingan cost - thermal resistance): 様々なヒートシンクタイプに対するコスト対熱抵抗の比較グラフ。
  • Gambar 12. 軸流ファン (Axial fans): 様々な軸流ファン設計の図。
  • Gambar 13. 遠心ファン (Centrifugal fans): 様々な遠心ファン設計の図。
  • Gambar 14. キャビネット冷却 (Cabinet cooling): ファンを使用したキャビネット冷却の図。
  • Gambar 15. 冷却キャビネット内の空気循環 (Sirkulasi udara dalam cooling cabinet): 冷却キャビネット内の空気循環の図。
  • Gambar 16. ヒートパイプ熱力学サイクル (Siklus thermodinamika hate pipe): T-s線図上のヒートパイプ熱力学サイクル。
  • Gambar 17. 蒸気動力サイクル (Vapour power cycle): ヒートパイプの蒸気動力サイクルの概略図。
  • Gambar 18. ウィックタイプ (Tipe wick): ヒートパイプ用の様々なウィックタイプの図。
  • Gambar 19. ノートパソコンにおけるヒートパイプの応用 (Aplikasi heat pipe pada notebook): ノートパソコン冷却システムにおけるヒートパイプの応用。
  • Gambar 20. コールドプレートの図 (Ilustrasi cold plates): コールドプレート冷却システムの図。
  • Gambar 21. 様々なコールドプレートの性能比較 (Perbandingan performa dari berbagai macam cold plates): 様々なコールドプレート設計の性能比較グラフ。
  • Gambar 22. 衝突ジェット冷却 (Impengement jet cooling): 衝突ジェット冷却の図。
  • Gambar 23. 熱電モジュール (Module thermoelectric): 熱電モジュールの図。
  • Gambar 24. 熱電デバイスの性能チャート (Chart Performance of Thermoelectric Device): 熱電デバイスの性能チャート。
  • Gambar 24. TECの熱抵抗モデル (Thermal Resistance model dari TEC): TECの熱抵抗モデル。（注：元の文書には24番で番号が振られた図が2つありますが、これは元のソースを反映するための意図的なものです。）

図リスト:

Gambar 5. Bonded fin
Gambar 5. Bonded fin
Gambar 6. Forged fin
Gambar 6. Forged fin
Gambar 7. Floded fin
Gambar 7. Floded fin
Gambar 8. Skived fin
Gambar 8. Skived fin
Gambar 9. Machined fin
Gambar 9. Machined fin
Gambar 10. Swaged fin
Gambar 10. Swaged fin
Gambar 11. Grafik perbandingan cost – thermal resistance
Gambar 11. Grafik perbandingan cost – thermal resistance
Gambar 18. Tipe wick
Gambar 18. Tipe wick
Gambar 19. Aplikasi heat pipe pada notebook
Gambar 19. Aplikasi heat pipe pada notebook
Gambar 21. (a) Spray cooling (b) jet cooling (c) Perbandingan koefisien transfer panas yang dihasilkan
Gambar 21. (a) Spray cooling (b) jet cooling (c) Perbandingan koefisien transfer panas yang dihasilkan
  • Gambar 1. Thermal dissipation model
  • Gambar 2. Equivalent circuit
  • Gambar 3. Dimensi heatsink mempengaruhi thermal resistance
  • Gambar 4. Bentuk gelombang arus dan tegangan saat kondisi transisi on-off (a) beban induktif (b) beban resistif
  • Gambar 5. Bonded fin
  • Gambar 6. Forged fin
  • Gambar 7. Floded fin
  • Gambar 8. Skived fin
  • Gambar 9. Machined fin
  • Gambar 10. Swaged fin
  • Gambar 11. Grafik perbandingan cost - thermal resistance
  • Gambar 12. Axial fans
  • Gambar 13. Centrifugal fans
  • Gambar 14. Cabinet cooling
  • Gambar 15. Sirkulasi udara dalam cooling cabinet
  • Gambar 16. Siklus thermodinamika hate pipe
  • Gambar 17. Vapour power cycle
  • Gambar 18. Tipe wick
  • Gambar 19. Aplikasi heat pipe pada notebook
  • Gambar 20. Ilustrasi cold plates
  • Gambar 21. Perbandingan performa dari berbagai macam cold plates
  • Gambar 22. Impengement jet cooling
  • Gambar 23. Module thermoelectric
  • Gambar 24. Chart Performance of Thermoelectric Device
  • Gambar 24. Thermal Resistance model dari TEC

7. 結論:

主な研究結果の要約:

本論文は、電気機械に使用されるスイッチング部品には多様な冷却方法が存在するという結論に至りました。各方法は固有の長所と短所を持っており、適切な技術の選択は、冷却される特定の電子デバイスとアプリケーションの要件に左右されます。これらの冷却方法のモデリングと理論的理解は、エンジニアが電力電子システムにおけるスイッチング部品の性能と信頼性を最適化するために、最も効果的な冷却戦略を選択する上で、情報に基づいた意思決定を行うために不可欠です。

研究の学術的意義:

本研究は、パワースイッチングデバイスのための様々な冷却方法論に関する、ハンドブックレベルの包括的な概要を提供します。理論的原理と実際的な考察を統合し、パワーエレクトロニクスおよび熱管理分野の専門家や研究者にとって貴重な資料となります。

実用的な意義:

本論文の実用的な意義は、パワーエレクトロニクスシステムに取り組むエンジニアや設計者にとって重要です。効率的な放熱、システム性能の向上、部品寿命の延長を保証しながら、スイッチング部品に適切な冷却ソリューションを選択および実装するための指針を提供します。

研究の限界と今後の研究分野:

本研究はレビュー論文として、新しい実験データを提示したり、非常に具体的なアプリケーションシナリオを掘り下げたりすることはありません。今後の研究では、様々な動作条件下での異なる冷却方法の比較実験分析、高度な冷却技術の調査、および高出力ダイカスト機械やその他の要求の厳しい産業環境における新興のパワーエレクトロニクスアプリケーション向けの冷却ソリューションの最適化に焦点を当てることができます。

8. 参考文献:

[1] Huges, Austin. Electric Motors and Drives Fundamenta, Types and Applications. Elsevier Ltd. 2006
[2] Anonim. Chapter 5 Cooling of Power Switching Semiconductor Devices.
[3] Anomim. (2010) Cooling of Power Switching Device. (Online) (http://what-when-how.com/motors-and-drives/cooling-of-power-switching-devices-motors-and-drives/, diakses tanggal 26 Juni 2015)
[4] Semikron. (2012) Cooling Methods for Power Semiconductor Devices. (Online) (http://www.powerguru.org/cooling-methods-for-power-semiconductor-devices/, diakses tanggal 26 Juni 2015)
[5] Anonim. Cooling Methode for Power Semiconductor Device and Device Mounting Between Cooling Fans. Mitsubishi High Power Semiconductor. 1998.
[6] Anonim. Thermacore, Power Semiconductor Cooling Solution. 2009.
[7] Fishenden, M. and Saunders, 0. A., An Introduction to Heat Transfer, Oxford University Press, 1982.
[8] Anonim. (Online) (http://www.electronics-cooling.com/, diakses tanggal 26 Juni 2015)

9. 著作権:

  • 本資料は、「Syaoqi Muttaqin」の論文：「Cooling of Power Switching Device」に基づいています。
  • 論文ソース: [論文に明記されていません、DOI URLなし]

本資料は上記の論文に基づいて要約されたものであり、商業目的での無断使用は禁止されています。
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Tags: Air cooling; ,Applications; ,CAD; ,cold plate; ,Die casting; ,Review