Koji su standardi toplinskog dizajna za diode u sustavima za pretvorbu električne energije?

一, Osnove toplinskog dizajna: ključni parametri i mehanizmi kvara
Definicija toplinskih parametara jezgre
Temperatura spoja (Tvj): Prosječna temperatura PN spoja, koja je osnovni pokazatelj za mjerenje toplinskog stanja uređaja. Prema "SJ/T 2216-2015 tehničkim specifikacijama za silicijske fotodiode", maksimalna dopuštena temperatura spoja za diode na bazi silicija je obično 125-150 stupnjeva, a za diode od silicij karbida (SiC) može doseći 175 stupnjeva.
Toplinski otpor (Rth): parametar koji opisuje učinkovitost prijenosa topline, podijeljen na toplinski otpor u stabilnom -stanju (RthJC, RthCH, RthHA) i prijelazni toplinski otpor (ZthJC, ZthCA). Na primjer, RthJC Infineon FF400R12KE3G IGBT modula je 0,15 K/W, što ukazuje da za svaki 1 stupanj povećanja temperature spoja treba rasipati 6,67 W snage.
Glavni načini toplinskog kvara dioda uključuju:
Toplinski slom: Temperatura spoja prelazi granicu materijala, uzrokujući trajno oštećenje PN spoja.
Toplinski zamor: Ponovljeni toplinski ciklusi mogu uzrokovati pucanje sloja lema, kao što su pukotine uslijed zamora na eutektičkim spojevima zavarivanja pri temperaturama u rasponu od -40 stupnjeva do 125 stupnjeva.
Odstupanje parametra: Visoka temperatura uzrokuje povećanje pada napona kondukcije (Vf) i obrnutog povratnog naboja (Qrr), na primjer, Vf Schottky dioda povećava se za 20% pri 150 stupnjeva u usporedbi s 25 stupnjeva.
2, Vrući proces dizajna: kontrola zatvorene-petlje od odabira do provjere
1. Kriteriji odabira uređaja
Izbor materijala:
Silicij (Si): Prikladan za srednji i niski napon (<600V), medium frequency (<100kHz) scenarios, with low cost but high thermal resistance.
Silicon carbide (SiC): With a withstand voltage of over 1200V and a 70% reduction in switching losses, it is suitable for high-frequency (>100kHz) and high-temperature (>150 stupnjeva ) okruženja. Na primjer, serija C3D SiC Schottky dioda poboljšava učinkovitost za 4% u 48V/12V DC-DC pretvorbi.
Galijev nitrid (GaN): Frekvencija prebacivanja može doseći razinu MHz, ali zahtijeva odgovarajući pokretački krug i ima visoku cijenu.
Oblik pakiranja:
Pakiranje za površinsku montažu (SMD): kao što je SM4007 SMD dioda, područje rasipanja topline je tri puta veće od pakiranja DO-41, što ga čini prikladnim za gusti raspored.
Modularno pakiranje: kao što su PowerBLOCK moduli, integriranje višestrukih čipova i podloga za raspršivanje topline, smanjenje RthJC za 50%.
2. Izgled PCB-a i dizajn rasipanja topline
Dizajn bakrene folije:
Glavni strujni krug koristi bakrenu foliju velike-površine, a više-slojni toplinski otvori (Ø 0,3-0,5 mm, razmak 1 mm) raspoređeni su ispod lemnih ploča kako bi se smanjio toplinski otpor.
Primjer: U 12kW DC-DC pretvaraču, temperatura diodne pločice smanjena je sa 105 stupnjeva na 78 stupnjeva povećanjem gustoće toplinskih otvora.
Toplinska izolacija i neovisna zona:
Održavajte udaljenost veću ili jednaku 3 mm od komponenti osjetljivih na temperaturu (kao što su kontrolni čipovi) i, ako je potrebno, utor za izolaciju.
Izbjegavajte dizajn uskog grla s uskim vratom kako biste osigurali ravnomjernu difuziju topline.
3. Odabir sheme odvođenja topline
Tipični učinak smanjenja toplinskog otpora i razina troškova primjenjivih scenarija metode rasipanja topline
Prirodna konvekcija niske snage (<100W) 20-50% low
Prisilno zračno hlađenje srednje snage (100W-5kW) 50-70%
Water cooled high-power (>5kW) 70-90% visoka
Lokalne vruće točke (kao što su MOSFET-i/diode) toplinskih cijevi/ploča za izjednačavanje temperature su 60-80% srednje visoke
Slučaj: određena stanica za punjenje električnih vozila koristi vodeno{0}}hlađenu ploču + ​​toplinski vodljivu silikonsku mast, koja smanjuje temperaturu spoja SiC dioda sa 140 stupnjeva na 95 stupnjeva i povećava gustoću snage na 5 kW/L.
3, Toplinska simulacija i provjera ispitivanja: Kvantificiranje kontrolnih rizika
1. Termoelektrična kolaborativna simulacija
Alati: SPICE (proračun gubitaka)+FloTHERM/CEPAK (toplinska simulacija).
tehnološki proces:
Unesite radni valni oblik (I2F (rms), I2F (prosj.), vršna vrijednost V_R, fs).
Izdvojite Vf (@ ​​IF, Tj) i Qrr (@ dI/dt, V_R) iz priručnika s podacima.
Simulirajte distribuciju temperature spoja, optimizirajte raspored i shemu rasipanja topline.
Rezultat: Određeni fotonaponski pretvarač smanjio je pogrešku predviđanja temperature spoja diode s ± 15 stupnjeva na ± 3 stupnja putem simulacije.
2. Stvarne metode ispitivanja
Test porasta temperature:
Upotrijebite termoelement blizu dna lemne ploče i infracrvenu termalnu kameru kako biste pomogli u lociranju vruće točke.
Povećajte opterećenje kako biste povećali snagu i zabilježite krivulju promjene temperature spoja.
Starenje na visokim temperaturama:
Radite pod punim opterećenjem 1000 sati na temperaturi okoline od 85 stupnjeva i pratite Vf pomak (trebao bi biti<5%).
Ispitivanje toplinskog ciklusa:
-Mijenjajte temperaturu od 40 stupnjeva do 125 stupnjeva 1000 puta i provjerite integritet lemljenog sloja i pakiranja.
4, Slučajevi primjene u industriji i sukladnost sa standardima
1. Tipični scenariji primjene
Stanica za punjenje električnih vozila:
Usvajanje SiC MOSFET+SiC Schottky diodnog modula, rasipanje topline-hlađeno vodom, ispunjavanje zahtjeva za temperaturu spoja manju ili jednaku 125 stupnjeva u standardu IEC 61851-1.
Industrijski pretvarač:
Koristeći FF400R12KE3G IGBT modul, uparen s hladnjakom u obliku igle, prošao je UL 840 standardni test porasta temperature.
Napajanje podatkovnog centra:
The 48V/12V DC-DC converter adopts GaN devices and temperature equalization plates, meeting the DOE 2025 energy efficiency standard (peak efficiency>96%).
2. Sukladnost s međunarodnim standardima
IEC 60747-1: utvrđuje maksimalnu temperaturu spoja i raspon temperature skladištenja dioda (Tstg=150 stupanj, ograničenje od 672 sata).
JEDEC JESD51: Definirajte metode ispitivanja toplinske otpornosti, uključujući ispitivanje stabilnog-stanja (JESD51-1) i prolaznog stanja (JESD51-14).
AEC-Q101: Automobilske diode moraju biti podvrgnute testiranju ciklusa temperature od -40 stupnjeva C do 150 stupnjeva C kako bi se osigurala 10-godišnja pouzdanost.