OTTIMIZZAZIONE TERMICA DI DISSIPATORI PER CONVERTITORI DI POTENZA
PER APPLICAZIONI IN AMBIENTI OSTILI
M. Lazzaroni1,2, M. Citterio2, S. Latorre2, A. Lanza3, P. Cova3,4, N. Delmonte3,4, F. Giuliani4
(1)
Dip. di Fisica, Università degli Studi di Milano, Via Celoria, 16- 20133 Milano, Italy
(2)
INFN Milano, via Celoria, 16, 20133 Milano, Italy
(3)
INFN Pavia, via Agostino Bassi, 6, 27100 Pavia, Italy
(4)
Dipartimento Ingegneria dell'Informazione, University of Parma, v.le Usberti 181/A, Parma, Italy
mail autore di riferimento: [email protected]
1. INTRODUZIONE
Le apparecchiature elettroniche operanti in ambiente ostile, con particolare riguardo alla temperatura,
necessitano di essere progettate e dimensionate con estrema cura soprattutto dal punto di vista
termico. L'esperienza del passato, nell’ambito degli esperimenti a LHC ATLAS al CERN, a Ginevra,
ha dimostrato che l'affidabilità dei sistemi di alimentazione a bassa tensione (Low Voltage Power
Supplies - LVPSs) presenta alcune criticità [1], [2]. Si deve, infatti, tener conto che gli alimentatori
non sono normalmente accessibili durante il periodo di acquisizione dati. Va peraltro segnalato che,
anche negli altri periodi l’accessibilità a questi dispositivi rimane comunque difficile. Un guasto a un
convertitore ha pertanto la grave conseguenza di rendere indisponibile una parte del rivelatore. Di ciò
si è tenuto conto nella progettazione di un nuovo sistema di alimentazione.
2. Il MAIN CONVERTER
Il convertitore proposto è realizzato mediante tre moduli di potenza con il requisito di ridondanza con
struttura 2oo3 (2 out of 3, [3]), in modo che due unità siano in grado di fornire tutta la potenza
necessaria: l’MTBF richiesto è di 5∙105 h [1], [2], [3].
Il progetto denominato APOLLO [4], finanziato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN),
mira a progettare un tale convertitore, produrne alcuni prototipi e verificarne il comportamento nelle
condizioni ambientali previste per la fase cosiddetta LHC 2 upgrade.
L'architettura di LVPS, proposta per il prossimo aggiornamento di LHC, consiste in un sistema di
potenza distribuito, composto da una prima conversione 280V/12V DC-DC seguito da Point-of-Load
(POL) montati in prossimità delle schede di front-end. Il lavoro è volto all’ottimizzazione termica di
un DC/DC converter da 1.5 kW che sia in grado di rispondere ai requisiti richiesti dall’esperimento
ATLAS in termini di densità di potenza e trascurabile interazione termica fra il dispositivo e il resto
dell’elettronica. Quest'ultimo requisito, oggetto della presente memoria, è particolarmente critico,
tanto da richiedere un raffreddamento a liquido con un radiatore progettato ad hoc. Volendo ottenere
sia una limitazione della temperatura dei componenti sia una limitazione dello scambio termico con i
rivelatori posti in prossimità del convertitore, si è progettato uno specifico dissipatore tenendo conto
delle caratteristiche termiche del sistema che deve raffreddare, si è progettato un opportuno
trasformatore planare e, da ultimo, si è lavorato sul miglioramento dei percorsi termici (thermal path)
fra il trasformatore, la parte del convertitore che si scalda maggiormente, e il dissipatore. Dettagli su
questi aspetti possono essere trovati in [5], [6].
3. OTTIMIZZAZIONE DEL DISSIPATORE AD ACQUA
L'ottimizzazione del dissipatore, nel rispetto delle specifiche previste dall'esperimento ATLAS è stata
svolta a partire da un primo prototipo avente una struttura interna ad U asimmetrica, poiché la
struttura del convertitore prevede una dissipazione di potenza concentrata in particolar modo su alcuni
componenti, come il trasformatore planare, i transistori MOSFET di primario e i diodi del rettificatore
a secondario. Da qui, ci si è posti l'obiettivo di ottimizzare il percorso della serpentina mediante
simulazioni FEM termo-fluido-dinamiche 3D (sono stati impiegati e confrontati i pacchetti
commerciali di COMSOL e ANSYS). Il modello numerico è stato dapprima messo a punto mediante
caratterizzazioni termiche eseguite su un prototipo di dissipatore esistente e dalle caratteristiche
completamente note [6] e, successivamente, utilizzato per confrontare le prestazioni di possibili
soluzioni alternative. Un modello di questo tipo, che tenga conto sia della fluidodinamica dell'acqua
interna al dissipatore che della convezione naturale sul convertitore, può risultare molto complesso
dal punto di vista computazionale, per cui il confronto è stato fatto simulando il solo dissipatore e
imponendo le potenze dissipate dai principali componenti riscaldanti come flusso di calore entrante
dalle rispettive superfici di contatto col dissipatore (Fig. 1). La scelta, operata in base alle prestazioni
e al rispetto dei vincoli di portata e perdita di carico massima, ha portato alla configurazione "2-C",
mostrata in Fig. 2, che ne illustra i risultati in termini di velocità dell'acqua e temperatura superficiale.
4. RISULTATI SPERIMENTALI
Il dissipatore progettato è stato costruito mediante lavorazione in alluminio e vi è stato montato il
convertitore. La caratterizzazione termica in condizioni operative ha mostrato un buon accordo con le
simulazioni FEM, come mostrato in Fig. 3 e una riduzione della massima temperature dell'ordine di
10 °C in condizioni operative di caso peggiore (Pout = 1.5 kW). Ulteriori dettagli sono reperibili in [6].
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
G. Aad et al., “The ATLAS experiment at the CERN LHC”, Journ. of Instrumentation, vol. 3, S08003, 2008,
doi:10.1088/1748-0221/3/08/S08003, ISSN 1748-0221.
Regulated extra low voltage power supplies for detector electronics. CERN LHC IT-3330/PH/EXP
Technical Specification, 2004.
M. Lazzaroni, L. Cristaldi, L. Peretto, P. Rinaldi and M. Catelani, Reliability engineering: basic concepts and
applications in ICT, Springer, ISBN 978-3-642-20982-6, e-ISBN 978-3-642-20983-3, DOI: 10.1007/978-3642-20983-3, 2011, Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
http://www2.pv.infn.it/~servel/apollo/index.html
P. Cova and N. Delmonte, “Thermal modeling and design of power converters with tight thermal
constraints”, Microelectronics Reliability, vol. 52, Issues 9-10, September–October 2012, pp. 2391-2396,
2012, DOI: 10.1016/j.microrel.2012.06.102, ISSN: 0026-2714.
Cova P, Delmonte N, Giuliani F, Citterio M, Latorre S, Lanza A, Lazzaroni M, Thermal modeling and
characterization of power converters for LHC power supplies. Proc. 12th IMEKO TC10 Workshop on
Technical Diagnostics, June 6-7, 2013, pp: 202 – 207, Florence, Italy, ISBN: 978-88-903149-8-8.
Fig. 1. Condizioni al contorno (Pout = 1.5 kW).
Fig. 2. Velocità dell'acqua (sopra) e temperatura
(sotto) simulate per la soluzione "2-C" (Pout=1.5 kW).
Fig. 3. Mappa termica simulata (sinistra) e misurata mediante termocamera IR (destra) del main converter
montato sul dissipatore progettato, operante nelle condizioni: Pout = 1.2 kW, Tinlet = 18 °C, Tamb = 21 °C.