Koji su standardi termičkog dizajna za diode u sistemima za konverziju električne energije?

一, Osnove termičkog dizajna: ključni parametri i mehanizmi kvarova
Definicija toplinskih parametara jezgre
Temperatura spoja (Tvj): Prosječna temperatura PN spoja, koja je osnovni indikator za mjerenje termičkog stanja uređaja. Prema "SJ/T 2216-2015 Tehničkoj specifikaciji za silicijumske fotodiode", maksimalna dozvoljena temperatura spoja za diode na bazi silicijuma je obično 125-150 stepeni, a za diode od silicijum karbida (SiC) može dostići 175 stepeni.
Toplotni otpor (Rth): parametar koji opisuje efikasnost prijenosa topline, podijeljen na toplotni otpor-u stacionarnom stanju (RthJC, RthCH, RthHA) i prolazni termički otpor (ZthJC, ZthCA). Na primjer, RthJC Infineon FF400R12KE3G IGBT modula je 0,15K/W, što ukazuje da za svaki 1 stepen povećanja temperature spoja, 6,67W snage treba raspršiti.
Glavni načini termičkog kvara dioda uključuju:
Toplotni slom: Temperatura spoja prelazi granicu materijala, uzrokujući trajno oštećenje PN spoja.
Toplotni zamor: Ponavljani termički ciklusi mogu uzrokovati pucanje sloja lemljenja, kao što su pukotine od zamora na eutektičkim zavarivačkim sučeljima na temperaturama u rasponu od -40 stepeni do 125 stepeni.
Pomjeranje parametara: Visoka temperatura uzrokuje povećanje pada napona provodljivosti (Vf) i povratnog povratnog punjenja (Qrr), na primjer, Vf Šotkijevih dioda se povećava za 20% na 150 stepeni u poređenju sa 25 stepeni.
2, Hot dizajn proces: zatvorena-kontrola petlje od odabira do verifikacije
1. Kriteriji odabira uređaja
Izbor materijala:
Silicijum (Si): Pogodno 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 stepeni) okruženja. Na primjer, SiC Schottky dioda serije C3D poboljšava efikasnost za 4% u 48V/12V DC-DC konverziji.
Galijum nitrid (GaN): Frekvencija prebacivanja može doseći nivo MHz, ali zahtijeva odgovarajući upravljački sklop i ima visoku cijenu.
Forma pakovanja:
Pakovanje za površinsku montažu (SMD): kao što je SM4007 SMD dioda, površina disipacije toplote je tri puta veća od DO-41 ambalaže, što ga čini pogodnim za gust raspored.
Modularno pakovanje: kao što su PowerBLOCK moduli, integrišući više čipova i podloga za rasipanje toplote, smanjujući RthJC za 50%.
2. Raspored PCB-a i dizajn odvođenja toplote
Dizajn bakrene folije:
Glavni strujni krug koristi bakarnu foliju velike{0}}površine, a višeslojni termalni spojevi (Ø 0,3-0,5 mm, korak 1 mm) su raspoređeni ispod jastučića za lemljenje kako bi se smanjio termički otpor.
Primjer: U DC-DC pretvaraču od 12kW, temperatura diodnog jastučića je smanjena sa 105 stepeni na 78 stepeni povećanjem gustine termičkih spojeva.
Toplotna izolacija i nezavisna zona:
Održavajte udaljenost veću ili jednaku 3 mm od komponenti osjetljivih na temperaturu (kao što su kontrolni čipovi), i ako je potrebno, prorez za izolaciju.
Izbjegavajte dizajn uskog grla s uskim grlom kako biste osigurali ravnomjernu difuziju topline.
3. Izbor šeme odvođenja toplote
Tipični efekat smanjenja toplotnog otpora i nivo troškova metode odvođenja toplote primenljivi scenariji
Prirodna konvekcija male snage (<100W) 20-50% low
Prinudno hlađenje zraka srednje snage (100W-5kW) 50-70%
Water cooled high-power (>5kW) 70-90% visoka
Lokalne vruće tačke (kao što su MOSFET-ovi/diode) toplotnih cijevi/ploča za izjednačavanje temperature su 60-80% srednje visoke
Slučaj: Određena stanica za punjenje električnih vozila koristi vodeno{0}}hlađenu ploču + ​​toplotno provodljivu silikonsku mast, koja smanjuje temperaturu spoja SiC dioda sa 140 stepeni na 95 stepeni i povećava gustinu snage na 5kW/L.
3, Termička simulacija i provjera testiranja: Kvantifikacija kontrolnih rizika
1. Termoelektrična kolaborativna simulacija
Alati: SPICE (proračun gubitka)+FloTHERM/CEPAK (termalna simulacija).
tehnološki proces:
Unesite radni talasni oblik (I2F (rms), I2F (prosjek), vršna vrijednost V_R, fs).
Izdvojite Vf (@ ​​IF, Tj) i QRr (@ dI/dt, V_R) iz priručnika za podatke.
Simulirajte distribuciju temperature spoja, optimizirajte raspored i shemu odvođenja topline.
Rezultat: Određeni fotonaponski pretvarač je simulacijom smanjio grešku predviđanja temperature diodnog spoja sa ± 15 stepeni na ± 3 stepena.
2. Stvarne metode ispitivanja
Test porasta temperature:
Koristite termoelement blizu dna jastučića za lemljenje i infracrvenu termalnu kameru da pomognete u lociranju vruće tačke.
Povećajte opterećenje da povećate snagu i zabilježite krivulju promjene temperature spoja.
Starenje na visokim temperaturama:
Radite pri punom opterećenju 1000 sati na temperaturi okoline od 85 stepeni i pratite Vf drift (trebalo bi biti<5%).
Test termičkog ciklusa:
-Promijenite temperaturu od 40 stepeni do 125 stepeni 1000 puta i provjerite integritet sloja lemljenja i ambalaže.
4, slučajevi primjene u industriji i usklađenost sa standardima
1. Tipični scenariji primjene
Stanica za punjenje električnih vozila:
Usvajanje SiC MOSFET+SiC Schottky diodnog modula, vodom{1}}hlađeno rasipanje topline, ispunjavanje zahtjeva za temperaturu spoja manju ili jednaku 125 stepeni u standardu IEC 61851-1.
Industrijski inverter:
Koristeći FF400R12KE3G IGBT modul, uparen sa hladnjakom u obliku peraje u obliku igle, prošao je standardni test porasta temperature UL 840.
Napajanje data 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. Usklađenost sa međunarodnim standardima
IEC 60747-1: specificira maksimalnu temperaturu spoja i raspon temperature skladištenja dioda (Tstg=150 stepen, ograničenje od 672 sata).
JEDEC JESD51: Definirajte metode ispitivanja termičke otpornosti, uključujući ispitivanje u stabilnom{1}} stanju (JESD51-1) i prolazno (JESD51-14).
AEC-Q101: Diode za automobile moraju biti podvrgnute cikličnom testiranju temperature od -40 stepeni C do 150 stepeni C kako bi se osigurala 10-godišnja pouzdanost.