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降額曲線計算

6 月 09, 2020

大多數的工業用、車用或鐵道類產品，常常會在極端的環境中使用。因此，在研發過程中，大多都會驗證產品在高溫下的性能與可靠性。在測試與驗證的過程中，不僅是產品須能在設定的高溫中正常運作，而且產品中的每個零件也都必須要符合各自的規格，如電阻、電容、IC或其它半導體零件。超出規格使用範圍的零件會降低零件的可靠度，導致產品增加提前損壞的風險。

常見的溫度評估方式，如下圖1

熱模擬軟體
熱電偶線
紅外線熱顯像儀

如果需要測試的零件數量非常多，可以使用紅外線熱顯像儀，即可找出溫度最高的零件。如果須測試的零件數較少，則可以使用熱電偶線量測各別零件的溫度。

最保險的作法是，先使用熱模擬的軟體，在製作出成品之前，計算出各別零件的發熱量。後續使用熱顯像儀，找出溫升最高的零件，最後使用熱電偶線，即可在不同環境溫度下量測發熱元件的溫度。透過這些溫度數據，即可定義產品的操作溫度範圍或者是降額曲線。使用者可以透過這些數據，再對照終端產品的內部溫度，即可確認轉換器是否操作在安全的範圍。

另外，也可以透過計算轉換器的熱阻與實際損耗，計算出轉換器的發熱量，再加上預估的溫升，即可提前評估轉換器是否可以正常運作。

緒論

圖2為降額曲線示意圖，由圖中得知三個資訊，(1)環境對流條件，(2)輸出負載，(3)操作溫度。從圖中可看出，轉換器可以滿載運作的環境溫度是從-40℃到50℃，如下圖的灰色區域。當環境溫度超過50℃時，輸出負載就必須相對的減少，如下圖的黃色區域。當環境溫度為80℃時，轉換器的輸出負載就不能高於滿載的40%。

降額曲線的定義可以分成三個步驟

操作環境設置

圖3為轉換器溫度測試環境示意圖，轉換器是放置在大小約為30*30*20 cm的密閉空間，模擬無空氣對流的測試條件，箱子內部量測環境溫度與轉換器表面溫度，環境溫度的量測點是距離轉換器3公分的位置，然而轉換器表面溫度，則是量測中心點，如圖4所示。

熱阻計算

熱阻(Thermal resistance)，指單位時間內兩點之間溫度差與能量損耗的關係。可以透過以下簡化公式計算

Ta : 環境溫度 ; Tmax : 轉換器的最大表面溫度 ;

Pd : 損耗

得到熱阻之後，即可透過轉換器的效率曲線，反推各個負載點的損耗，即可得到轉換器的不同負載下的預估溫升以及最高可操作溫度。

高低溫驗證 (恆溫恆濕機)

使用恆溫恆濕機的目的是模擬轉換器在環境溫、溼度的組合之下，確認轉換器運作表現是否正常。圖5為恆溫恆濕機的照片。

驗證時會依照轉換器的降額曲線，驗證轉換器在不同溫度與負載時，是否能正常運作。以圖6為例，實際驗證會以環溫70℃(100% load), 80℃(70% load), 90℃(40% load), 105℃(0% load)，驗證轉換器與內部零件是否都符合相對應的溫度規格。

實際範例

接下來將使用四分之一磚的產品透過上述的熱阻計算方式，算出轉換器可操作的降額曲線。表1為本次選用的轉換器規格，圖7為轉換器的效率曲線。

表 1 轉換器規格
DC to DC Converter	RQ150WR3-11054
Input voltage	110 Vdc
Output voltage	54 Vdc
Output current (full load)	2.778 A
Baseplate temperature limit	105 ℃

圖8為四分之一磚的的測試載板，測試版的正、反面各有4個2oz厚的銅箔，銅箔的目的是可以增加傳導的散熱面積。

試環境如上所述，為30*30*20 cm的密閉空間。實際量測發現，單獨使用測試版的情況下，如圖9所示，無法在常溫滿載長時間運作，僅能在80% load的負載條件下測試，此時的效率為89.32%。

Ta : 25℃

Baseplate temp : 103℃

透過上述資訊可以計算出熱阻為5.44℃/W。

得到熱阻之後，即可與各負載條件下的損耗計算出最大可操作溫度，如圖10所示。

由圖10中可以看出，如果要在滿載的條件下運作，環境溫度要在大約10度。除了降低環境溫度可以增加轉換器的可操作功率，另一個方式就是增加散熱面積，例如將轉換器的鋁基板貼到系統的金屬機殼，或者是轉換器外接散熱片，如圖11所示。通常散熱片或者是金屬機殼與轉換器之間，會透過導熱膠隔開，增加絕緣距離，以及透過膠填補兩金屬介質之間的縫隙，避免接觸不良。