Methoden zur thermischen Modellierung und Betrachtung von DC-DC-Konvertern

Abstract

In der heutigen Welt spielt die Automatisierung von Industrie und Energieversorgung eine wichtige Rolle. Diese Automatisierung erfordert Sensoren, Aktoren, Steuerungen und Regelungen, die meist mit Gleichspannung, oft auch mit unterschiedlichen Spannungsniveaus, versorgt werden. Um alle Spannungsniveaus für die unterschiedlichen Anwendungen bereit zu stellen, ist es nötig, Direct Current, Gleichstrom (DC)-DC-Konverter zu nutzen.Die industrielle Umgebung stellt herausfordernde Bedingungen für die Kühlung an die Konverter. Diese herausfordernden Bedingungen müssen während der Entwicklung berücksichtigt werden und die Konverter dementsprechend ausgelegt werden. Die thermischen Verhältnisse im Gerät hängen von der Verlustleistung des Konverters ab. Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (SPICE)-Simulationstools ermöglichen es, die Verlustleistung einzelner Bauteile bei richtiger Modellierung, während der Entwicklung abzuschätzen. Im Rahmen dieser Arbeit wird aufgezeigt, wie eine Verlustleistungsabschätzung für einen auszulegenden DC-DC-Konverter durchgeführt werden kann. Zur Bewertung der thermischen Verhältnisse im DC-DC-Konverter stehen unterschiedliche Methoden mit den jeweiligen Vor- und Nachteilen zur Verfügung. Diese Arbeit soll zeigen wie analytische thermische Berechnungen und Computational Fluid Dynamics (CFD)-Simulationen im Entwicklungsprozess eingesetzt werden können, um die thermischen Verhältnisse im Konverter abzuschätzen und welche Aussagen für die Entwicklung getroffen werden können.

In today’s world, the automation of industry and energy supply plays an important role. This automation requires sensors, actuators, controls, and regulation devices which are usually powered by direct current and often by different voltage levels. To provide all voltage levels for the various applications, it is necessary to use direct current (DC)-DC converters.The industrial environment poses challenging conditions for the cooling of these converters. These challenging conditions must be considered during development, and the converters must be designed accordingly. The thermal conditions inside the device depend on the power loss of the converter. Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (SPICE) simulation tools make it possible to estimate the power loss of individual components during development, provided they are properly modeled. This work demonstrates how a power loss estimation can be carried out for a DC-DC converter that is to be designed.Different methods, each with their own advantages and disadvantages, are available for evaluating the thermal situation in a DC-DC converter. This paper aims to show how analytical thermal calculations and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations can be used in the development process to estimate the thermal conditions in the converter and what conclusions for development can be drawn from this.