UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione DEAS Devices, Electronic Applications and Sensors M AIN C ONVERTER : CARATTERIZZAZIONE TERMICA CON SECONDO PROTOTIPO DI DISSIPATORE P AOLO C OVA, N ICOLA D ELMONTE, F RANCESCO G IULIANI WORKSHOP FINALE ESPERIMENTO APOLLO – R OMA 9/12/2013

Paolo CovaWorkshop Finale APOLLO - Roma, 9 dicembre : Simulazione 3D termo-fluidodinamica 2 Cronistoria Rispetto dei vincoli di sistema Limiti di risorse  tecnologie convenzionali Messa a punto del modello numerico – Caratterizzazione termica di un dissipatore noto – Tuning e validazione delle simulazioni Progettazione del secondo prototipo di dissipatore – Specifiche di progetto – Ipotesi realizzative – Confronto delle prestazioni 2013: Caratterizzazione termica MC col nuovo dissipatore e confronto col precedente

Paolo CovaWorkshop Finale APOLLO - Roma, 9 dicembre 2013 Specifiche di progetto del dissipatore 3 Progettazione del dissipatore T INLET = 18 °C T OUTLET = 25 °C d = 15 mm Ф = 5 mm Portata = 1,9 l/min (totale) ∆P = 350 mbar Il convertitore primario ZONA DI PRIMARIO ALIMENTATORE AUSILIARIO TRASFORMATORE ZONA DI SECONDARIO COLDPLATE MODULO DI POTENZA

Paolo CovaWorkshop Finale APOLLO - Roma, 9 dicembre P out = 1.2 kW P diss = 246 W Distribuita sui componenti: Modello FEM del MC N°Device P d [W] 1Planar transformer – core130 2Planar transformer – windings70 3Diodes (ISOTOP)10 4Primary - MOSFETs (TO247)18 5Primary - inductor core4 6Primary - inductor windings3 7Auxiliary – MOSFET (TO247)0.2 8Auxiliary – MOSFET (D2PAK)0.2 9Auxiliary – transformer core0.5 10Auxiliary – transformer windings0.5 11Capacitors and other devices4.5 12Copper traces at secondary5.5 Total power dissipation246.4

Paolo CovaWorkshop Finale APOLLO - Roma, 9 dicembre 2013 Condizioni di caso peggiore Solo due moduli operanti P DC = 1,5 kW ; P DISS = 380 W 5 Simulazioni per confronto geometrie THERMAL INSULATION THERMAL INSULATION Distribuzione potenza termica uniforme localizzata Regime di flusso: laminare VARIABLEV ALUE 0,106 m/s 18 °C 3187 W/m W/m W/m W/m 2 31,0 °C

Paolo CovaWorkshop Finale APOLLO - Roma, 9 dicembre ° prototipo: dissipatore a U (2-SP) T MAX = 60 °C T MAX = 73,5 °C T OUTLET = 35,0 °C

Paolo CovaWorkshop Finale APOLLO - Roma, 9 dicembre ° prototipo: a doppia serpentina (2-C) T MAX = 32,6 °C T MAX = 36,8 °C T OUTLET = 27,0 °C

Paolo CovaWorkshop Finale APOLLO - Roma, 9 dicembre Chiller Flowmeter Manometri (p inlet, p outlet ) Termometri (T inlet, T outlet ) Prototipo di un modulo del Main Converter Termocamera Carico Alimentatore Setup caratterizzazione termica

Paolo CovaWorkshop Finale APOLLO - Roma, 9 dicembre Posizioni delle termocoppie per la misura di temperature ‘’interne’’: 1.Flangia di sostegno del trasformatore 2.Induttore-flangia in Al verticale di sostegno 3.Flangia diodi ISOTOP 4.Flangia MOSFET 5.Parte superiore degli avvolgimenti del trasformatore Setup caratterizzazione termica

Paolo CovaWorkshop Finale APOLLO - Roma, 9 dicembre Portata 0,63 l/min, T amb =28,5°C V in [V]I in [A]V out [V]I out [A]P in [W]P out [W]P diss [W] 2805,1311, , PosizioneT [°C] Flangia indutt. 37 ISOTOP 37 MOSFET 39 Nucleo 78 Supporto trafo 35 Avvolg. trafo 86 T Sp1 [°C]T Sp2 [°C]T Sp3 [°C] Risultati misure (2-SP 27/6/2012 )

Paolo CovaWorkshop Finale APOLLO - Roma, 9 dicembre Risultati misure (2-C 8/2/2013 ) Portata 0,54 l/min, T amb =21,4°C V in [V]I in [A]V out [V]I out [A]P in [W]P out [W]P diss [W] 2745,311,98100, PosizioneT [°C] Flangia indutt. 29 ISOTOP 26 MOSFET 27 Nucleo 72 Avvolg. trafo 80 T Sp1 [°C]T Sp2 [°C]T Sp3 [°C]

Paolo CovaWorkshop Finale APOLLO - Roma, 9 dicembre Risultati misure (2-C 8/2/2013 ) Portata 0,54 l/min, T amb =24,7°C V in [V]I in [A]V out [V]I out [A]P in [W]P out [W]P diss [W] 2746,9511,98125, PosizioneT [°C] Flangia indutt. 35 ISOTOP 32 MOSFET 39 Nucleo 90 Avvolg. trafo 108 T Sp1 [°C]T Sp2 [°C]T Sp3 [°C]

Paolo CovaWorkshop Finale APOLLO - Roma, 9 dicembre ThermocouplesSimulation T135 °C37.8 °C T237 °C37.3 °C T337 °C38.4 °C T439 °C39.1 °C T578 °C75.7 °C IR measurement: P d = 241 WP out = 1.2 kW Simulazioni vs. misure (2-SP)

Paolo CovaWorkshop Finale APOLLO - Roma, 9 dicembre IR measurement: Cold plateP out [kW]T max [°C] 2-SP C C Tested measurement conditions: P out = 1.2 kW P d = 240 W T inlet = 18°C, T amb = 21°C flow rate = 0.63 l/min Simulazioni vs. misure (2-C)

Paolo CovaWorkshop Finale APOLLO - Roma, 9 dicembre Conclusioni Simulazione termo-fluidodinamica di dissipatore + MC Tutti i componenti hanno temperatura accettabile Il dissipatore “2-C” ha abbassato T max di 6 °C Risultato buono a P out = 1 kW POSSIBILI AZIONI Ridurre la potenza dissipata dal trasformatore Modificare gli avvolgimenti e gli strati isolanti Modificare i connettori di uscita Altro? Ottimizzare ulteriormente il dissipatore Geometria più affidabile?  Non sufficiente in caso di un modulo guasto (P out = 1,5 kW)  Dubbi sull’affidabilità a lungo termine (Zone di ristagno? Formazione di muffe? Occlusioni?)

Paolo CovaWorkshop Finale APOLLO - Roma, 9 dicembre 2013 Pubblicazioni  P. Cova, N. Delmonte, F. Giuliani, M. Citterio, S. Latorre, M. Lazzaroni, A. Lanza, “Thermal optimization of water heat sink for power converters with tight thermal constraints”, Microelectronics Reliability, vol. 53, pp ,  P. Cova, N. Delmonte, F. Giuliani, M. Citterio, S. La Torre, A. Lanza, M. Lazzaroni, “Thermal modeling and characterization of power converters for LHC power supplies”, Proc. 12th IMEKO TC10 Workshop on Technical Diagnostics - New Perspectives in Measurements, Tools and Techniques for Industrial Applications, pp , Firenze (Italy), Jun. 6-7,  M. Lazzaroni, M. Citterio, S. Latorre, A. Lanza, P. Cova, N. Delmonte, F. Giuliani, “Ottimizzazione termica di dissipatori per convertitori di potenza per applicazioni in ambienti ostili”, Atti del XXX Congresso Nazionale Associazione “Gruppo Misure Elettriche ed Elettroniche” (GMME 2013), pp , Trento (Italy), Sep. 8-11,  P. Cova, N. Delmonte, “Thermal modeling and design of power converters with tight thermal constraints”, Microelectronics Reliability, vol. 52, pp ,