Piirilevyn suunnittelu oli haastavaa ja suunnittelun avuksi löytyi melko rajallisesti lähdemateriaalia. Hankaluuksia aiheutti erityisesti piirilevyn virransiirtokyvyn määrittäminen. Tämä ongelma koski piirilevyn vetoja, jotka eivät varsinaisesti olleet vetoja vaan koko levyn kokoisia kuparialueita sekä läpivientejä. Näihin löytyi kuitenkin mitoitusperusteet, jotka olivat konservatiiviset ja täten hyvät, koska mitoitukseen haluttiinkin saada varmuuskerrointa.
Alkuperäisessä kytkennässä havaittiin myös vika, joka aiheutti piirilevyn liiallista lämpenemää ja satunaisia piirilevyrikkoja. Tämän ongelman paikallistaminen oli vaikeaa, koska vika oli hyvin satunainen ja sen seurauksena piirilevy paloi pahoin.
Hajoamisen lopputulos viittasi vialliseen tai väärin mitoitettuun piirilevyyn ja viaksi alkuun luultiinkin itse piirilevyä. Lisäksi vian paikallistamista vaikeutti se, että laite tuntui toimivan hyvin lukuun ottamatta hieman liian suurta lämpenemää piirilevyllä.
Laitetta pystyi myös käyttämään, jopa viikkoja ennen vian ilmenemistä. Kytkentä korjattiin poistamalla kelanohituskytkin ja lisäämällä ylijännitesuoja H-sillalle.
Korjatulla kytkennällä piirilevy toimi lopulta suunnitellusti ja sen maksimi lämpötilaksi laskettiin prototyyppitestien perusteella 65 °C jäähdytysvedellä 83 °C. Tulos on hyvä ja jää reilusti alle suunnitellun 100 °C maksimilämpötilan. Piirilevyn lämpenemä oli korjatulla kytkimellä siis 18 °C. Piirilevyn vedot suunniteltiin 30 °C lämpenemällä, mutta tällä mitoituksella piirilevyn virransiirtokyvyksi oli saatu 273 A. Tässä mitoituksessa ei ollut kuitenkaan mukana esimerkiksi virtakiskoista ja piirilevyllä olevista komponenteista sille johtuvia häviöitä. Lisäksi piirilevyä jäähdytettiin vesijäähdytyksellä GF3500S35 lämmönjohtomateriaalin välityksellä. Lämpenemä on nämä seikat huomioiden odotetunlainen ja ylimitoitus oli onnistunut ja sopivan suuruinen lopputulos huomioiden.
Piirilevyn jäähdyttämisen lisäksi protyyppilaitteessa huomattiin, että sen virtakiskojen lämpenemä oli virranahtautumisesta johtuen ongelma. Virtakiskojen häviöt johtuivat kiskoja pitkin sekä piirilevylle että kiskojen toisessa päässä olevaan muuntajaan. Sekä muuntaja että piirilevy lämpeni tämän takia suunniteltua enemmän. Virtakiskoille
tehtiin prototyyppiin kokeellinen jäähdytysratkaisu, joka todettiin testeissä toimivaksi.
Muuntaja ja piirilevy eivät enää lämmenneet virtakiskojen vaikutuksesta merkittävästi.
Sarjatuotantoon tehtävässä laitteessa virtakiskojen virranahtautuminen voidaan ottaa paremmin huomioon suunnittelemalla niille jäähdytys jo valmiiksi tai tekemällä virtakiskot laminoimalla ne ohuemmista kuparilevyistä, jolloin efektiivinen pinta-ala 40 kHz taajuudella saadaan isommaksi ja häviöt pienemmiksi.
Piirilevyratkaisun heikkous on hieman monimutkainen kasattavuus ja ratkaisu voisi olla myös halvempi sarjatuotantoa ajatellen. Nykyisessä ratkaisussa piirilevylle tulee hintaa suurinpiirtein 100–200 euroa komponentteineen, riippuen tuotantomääristä. Toteutus on kuitenkin prototyypille hyvä ja mahdollisti laitteen nopean kehittämisen ja testauksen.
Tulevaisuudessa piirilevyratkaisusta aiotaan siirtyä kuitenkin moduulirakenteeseen, jossa kytkentä on rakennettu suoraan tehomoduuliksi. Tässä rakenteessa on etuna noin kolmasosan kustannukset suuremmissa määrissä ja helpompi kasattavuus. Lisäksi moduulirakenteen oletetaan olevan luotettavampi. Moduulilla lämpöanturi saadaan lähelle puolijohteita, joten lämpötilan valvonta on parempi, koska puolijohteiden lämpötila saadaan mitattua todenmukaisemmin. Piirilevyratkaisussa itse komponenttien lämpötilaa ei valvota mitenkään vain piirilevyn pinnalla on jälkikäteen lisätty lämpötilan mittaus. Shunttivastus päätettiin jättää moduulilta pois, jotta sen arvoa voidaan muuttaa halutessa.
Suuren virran piirilevyn suunnittelussa on haasteita, mutta piirilevyratkaisussa on myös puolensa. Piirilevy oli aikataulullisesti nopeampi ratkaisu kuin moduuli, joiden saamisessa kestää useita kuukausia. Piirilevyn valmistus ei vaadi kuin muutaman sadan euron aloitusinvestoinnit. Lisäksi piirilevytoteutuksessa on vapaat mahdollisuudet muokata kytkentää ilman suuria lisäkustannuksia. Piirilevyrakenne oli täten nopea ja hyvä ratkaisu tuotteen ensimmäiseen vaiheeseen, jossa sen toiminta voitiin testata ja todentaa ennen suurempia investointeja moduuleihin. Tuotetta voi myös valmistaa muutamien satojen määrissä piirilevyllä, mutta tätä suuremmissa määrissä moduulirakenteen edut kustannuksissa tulevat merkittäviksi ja tuhansien eurojen investoinnit moduuleihin on nopeasti voitettu.
LÄHTEET
[1] Summanen A., 2015, Hardware design of a multiconverter for hybrid ve-hicle applications, Diplomityö, Lappeenrannan teknillinen yliopisto [2] Mohan N., Undeland T.M., Robbins W. P., 2003, Power Electronics:
Converters, Applications and Design, Third edition, John Wiley & Sons Inc., 802 s., ISBN 0-471-22693-9
[3] Winders J. J., Power Transformers: Principles and Applications, 2002, CRC Press, s. 304, ISBN-13: 978-0824707668
[4] Yi Wang, de Haan, S.W.H., Ferreira, J.A., 2009, Thermal Design Guide-line of PCB traces under DC and AC Current, julkaistu; Energy Conver-sion Congress and Exposition, IEEE, s1240-1246
[5] Tarzwell R., 2010, Heavy Copper Printed Circuit Design Notebook, V 1.003, DMR LTD.
[6] Chatterton P.A., Houlden M.A., 1996, EMC Electromagnetic Theory to Practical De-sign, Chichester, John Wiley & Sons, Inc. 295 s., ISBN 0-471-92878-X
[7] Montrose M., 1996, Printed Circuit Board Desing Techniques for EMC Compliance, New York, IEEE, Inc. 240 s., ISBN 0-7803-1131-0 [8] Shen J. Z., Xiong Y., Cheng X., Fu Y., Kumar P., 2006, “Power
MOSFET Switching Loss Analysis: A New Insight”,41st IAS Annual Meeting, s. 1438-1442
[9] Graovac D.,Pürschel M., Kiep A., 2006, MOSFET Power Losses Calcu-lation Using the Data-Sheet Parameters, Application Note V1.1, viitattu 20.11.2015, http://application-notes.digchip.com/070/70-41484.pdf [10] Application Note AN-1059 DirectFET® Technology Thermal Model and
Rating Calculator, 2010, viitattu 24.11.20015, www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1059.pdf
[11] IRF7749L2PbF DirectFET PowerMOSFET, datalehti, 2014, viitattu 24.11.2015, www.irf.com/product-info/.../data/irf7749l2pbf.pdf
[12] Tgard 200 Series Thermally Conductive Insulators, datalehti, 2010, vii-tattu 24.11.2015, http://www.lairdtech.com/brandworld/library/THR-DS-Tgard%20200%200313.pdf [20] Mazda F. F., 1990, Power Elec-tronics Handbook, Butterworth & Co. Ltd, 417 s., ISBN 0-408-03004-6 [13] Beng, A.L.Y., Gan Sik Hong, Devarajan, M., 2013, Optimization of
Thermal Vias for Thermal Resistance in FR-4 PCBs, julkaistu; Quality Electronic Design (ASQED), 2013 5th Asia Symposium on, IEEE, s.345-349
[14] Gautam, D.S., Musavi, F., Wager, D., Edington, M.A, 2013, Comparison of Thermal Vias Patterns used for Thermal Management in Power Con-verter, julkaistu; Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), IEEE, s.2214-2218
[15] IPC-2221A, 1998, Generic Standard on Printed Board Design, IPC [16] Adam J., 2004, New Correlations Between Electrical Current and
Tem-perature Rise in PCB Traces, julkaistu; Semiconductor Thermal Meas-urement and Management Symposium, IEEE, s.292-299
[17] Ling Y., 2002, On Current Carrying Capacities of PCB Traces, julkaistu;
Elec-tronic Components and Technology Conference, IEEE, s.1683-1693 [18] Kollman R., 2005, Constructing Your Power Supply Layout
Considera-tions. viitattu 10.10.2015, http://focus.ti.com/lit/ml/slup230/slup230.pdf [19] Application note Press-Fit Technology, Wurth, viitattu 25.11.2015,
http://www.we-online.com/web/en/index.php/download/media/
07_electronic_components/download_center_1/application_notes _berichte/powerelemente/AppNote_Power_Elements.pdf
[20] Brooks D., Graves D., 2003, Current Carrying Capacity of Vias, UP Me-dia Group, inc., viitattu 20.11.2015,
http://www.ultracad.com/articles/viacurrents.pdf
[21] Gap Filler 3500S35 (Two-Part), datalehti, viitattu 24.11.2015,
http://www.bergquistcompany.com/pdfs/dataSheets/PDS_GF_3500S35_
12.08_E.pdf
[22] DuroMatters! Basic Durometer Testing Information. CCSi, Inc., viitattu, 17.2.2015, http://www.ccsi-inc.com/t-durometer-testing.pdf