Какви са стандартите за термичен дизайн за диоди в системи за преобразуване на електрическа енергия?

一, Основи на топлинния дизайн: ключови параметри и механизми на повреда
Дефиниция на основните термични параметри
Температура на преход (Tvj): Средната температура на PN преход, която е основен индикатор за измерване на топлинното състояние на дадено устройство. Съгласно "SJ/T 2216-2015 Техническа спецификация за силициеви фотодиоди", максималната допустима температура на свързване за базирани на силиций диоди обикновено е 125-150 градуса, а за диоди от силициев карбид (SiC) може да достигне 175 градуса.
Термично съпротивление (Rth): параметър, който описва ефективността на преноса на топлина, разделен на термично съпротивление в стационарно-състояние (RthJC, RthCH, RthHA) и преходно термично съпротивление (ZthJC, ZthCA). Например, RthJC на IGBT модула Infineon FF400R12KE3G е 0,15 K/W, което показва, че за всеки 1 градус увеличение на температурата на прехода трябва да се разсее 6,67 W мощност.
Основните режими на термична повреда на диодите включват:
Термичен срив: Температурата на прехода надвишава лимита за материал, причинявайки трайна повреда на PN прехода.
Термична умора: Повтарящите се термични цикли могат да причинят напукване на слоя спойка, като пукнатини от умора при евтектични заваръчни интерфейси при температури, вариращи от -40 градуса до 125 градуса.
Отклоняване на параметъра: Високата температура причинява увеличаване на спада на напрежението на проводимостта (Vf) и обратния заряд за възстановяване (Qrr), например, Vf на диодите на Шотки се увеличава с 20% при 150 градуса в сравнение с 25 градуса.
2, Горещ процес на проектиране: затворен-контрол на цикъла от избора до проверката
1. Критерии за избор на устройство
Избор на материал:
Силиций (Si): Подходящ за средно и ниско напрежение (<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 градуса) среди. Например диодът на Шотки SiC от серията C3D подобрява ефективността с 4% при преобразуване на 48V/12V DC-DC.
Галиев нитрид (GaN): Честотата на превключване може да достигне ниво MHz, но изисква съвпадаща драйверна верига и има висока цена.
Форма на опаковката:
Опаковка за повърхностен монтаж (SMD): като SM4007 SMD диод, площта на разсейване на топлината е три пъти по-голяма от опаковката DO-41, което я прави подходяща за плътно оформление.
Модулно опаковане: като модули PowerBLOCK, интегриращи множество чипове и субстрати за разсейване на топлината, намаляващи RthJC с 50%.
2. Оформление на печатни платки и дизайн на разсейване на топлината
Дизайн с медно фолио:
Основната захранваща верига използва медно фолио с голяма-площ, а много-слойните термични отвори (Ø 0,3-0,5 mm, стъпка 1 mm) са подредени под подложките за запояване, за да се намали термичното съпротивление.
Пример: В 12kW DC-DC преобразувател температурата на диодната подложка беше намалена от 105 градуса на 78 градуса чрез увеличаване на плътността на термичните отвори.
Топлоизолация и независима зона:
Поддържайте разстояние, по-голямо или равно на 3 мм от чувствителните към температура компоненти (като контролни чипове) и, ако е необходимо, слот за изолация.
Избягвайте тесен дизайн на тесни места, за да осигурите равномерно разпространение на топлината.
3. Избор на схема на топлоотвеждане
Типичен ефект на намаляване на топлинното съпротивление и ниво на разходите за приложимите сценарии на метода за разсейване на топлината
Естествена конвекция с ниска мощност (<100W) 20-50% low
Принудително въздушно охлаждане средна мощност (100W-5kW) 50-70%
Water cooled high-power (>5kW) 70-90% високо
Локалните горещи точки (като MOSFET/диоди) на топлинни тръби/плочи за изравняване на температурата са 60-80% средно високи
Случай: Определена станция за зареждане на електрически превозни средства приема схема с водно{0}}охлаждаща се плоча+топлопроводима силиконова грес, която намалява температурата на свързване на SiC диоди от 140 градуса на 95 градуса и увеличава плътността на мощността до 5kW/L.
3, Термична симулация и проверка на изпитването: Количествено определяне на контролните рискове
1. Топлоелектрическа съвместна симулация
Инструменти: SPICE (изчисляване на загуби)+FloTHERM/CEPAK (термична симулация).
технологичен процес:
Въведете работната форма на вълната (I2F (rms), I2F (ср.), пикова стойност V_R, fs).
Извлечете Vf (@ ​​IF, Tj) и Qrr (@ dI/dt, V_R) от ръководството за данни.
Симулирайте разпределението на температурата на кръстовището, оптимизирайте оформлението и схемата за разсейване на топлината.
Резултат: Определен фотоволтаичен инвертор намали грешката при прогнозиране на температурата на диодния преход от ± 15 градуса на ± 3 градуса чрез симулация.
2. Действителни методи за изпитване
Тест за повишаване на температурата:
Използвайте термодвойка близо до дъното на подложката за запояване и инфрачервен термичен образ, за ​​да помогнете при локализирането на горещата точка.
Увеличете товара, за да увеличите мощността и запишете кривата на промяна на температурата на прехода.
Стареене при висока температура:
Работете при пълно натоварване в продължение на 1000 часа при околна температура от 85 градуса и наблюдавайте дрейфа на Vf (трябва да бъде<5%).
Тест за термичен цикъл:
-Променете температурата от 40 градуса до 125 градуса за 1000 пъти и проверете целостта на спойката и опаковката.
4, Случаи на приложение в индустрията и съответствие със стандартите
1. Типични сценарии за приложение
Станция за зареждане на електрически превозни средства:
Приемане на SiC MOSFET+SiC диоден модул на Шотки, разсейване на топлината с водно{1}}охлаждане, отговарящо на изискването за температура на свързване По-малка или равна на 125 градуса в стандарта IEC 61851-1.
Индустриален инвертор:
Използвайки IGBT модул FF400R12KE3G, съчетан с радиатор с игловидна перка, премина стандартен тест за повишаване на температурата UL 840.
Захранване на центъра за данни:
The 48V/12V DC-DC converter adopts GaN devices and temperature equalization plates, meeting the DOE 2025 energy efficiency standard (peak efficiency>96%).
2. Съответствие с международните стандарти
IEC 60747-1: определя максималната температура на свързване и температурния диапазон на съхранение на диоди (Tstg=150 градуса, ограничение от 672 часа).
JEDEC JESD51: Дефиниране на методи за изпитване на термична устойчивост, включително изпитване в стационарно-състояние (JESD51-1) и преходно (JESD51-14).
AEC-Q101: Диодите за автомобилен клас трябва да бъдат подложени на изпитване за температурни цикли от -40 градуса C до 150 градуса C, за да се гарантира 10-годишна надеждност.