Ποια είναι τα πρότυπα θερμικού σχεδιασμού για διόδους σε συστήματα μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας;

一, Βασικές αρχές Θερμικού Σχεδιασμού: Βασικές Παράμετροι και Μηχανισμοί Αστοχίας
Ορισμός Βασικών Θερμικών Παραμέτρων
Θερμοκρασία διακλάδωσης (Tvj): Η μέση θερμοκρασία μιας διασταύρωσης PN, η οποία είναι ένας βασικός δείκτης για τη μέτρηση της θερμικής κατάστασης μιας συσκευής. Σύμφωνα με την "SJ/T 2216-2015 Technical Specification for Silicon Photodiodes", η μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία σύνδεσης για διόδους με βάση το πυρίτιο είναι συνήθως 125-150 μοίρες και για διόδους καρβιδίου του πυριτίου (SiC) μπορεί να φτάσει τους 175 βαθμούς.
Θερμική αντίσταση (Rth): μια παράμετρος που περιγράφει την απόδοση της μεταφοράς θερμότητας, χωρισμένη σε σταθερή-θερμική αντίσταση (RthJC, RthCH, RthHA) και σε μεταβατική θερμική αντίσταση (ZthJC, ZthCA). Για παράδειγμα, το RthJC της μονάδας Infineon FF400R12KE3G IGBT είναι 0,15K/W, υποδεικνύοντας ότι για κάθε 1 βαθμό αύξησης της θερμοκρασίας της διασταύρωσης, χρειάζεται να καταναλώνεται ισχύς 6,67 W.
Οι κύριοι τρόποι θερμικής αστοχίας των διόδων περιλαμβάνουν:
Θερμική διάσπαση: Η θερμοκρασία του κόμβου υπερβαίνει το όριο υλικού, προκαλώντας μόνιμη ζημιά στον κόμβο PN.
Θερμική κόπωση: Οι επαναλαμβανόμενοι θερμικοί κύκλοι μπορεί να προκαλέσουν ρωγμές του στρώματος συγκόλλησης, όπως ρωγμές κόπωσης σε ευτητικές διεπαφές συγκόλλησης σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από -40 βαθμούς έως 125 βαθμούς.
Μετατόπιση παραμέτρων: Η υψηλή θερμοκρασία προκαλεί αύξηση της πτώσης τάσης αγωγιμότητας (Vf) και της φόρτισης αντίστροφης ανάκτησης (Qrr), για παράδειγμα, η Vf των διόδων Schottky αυξάνεται κατά 20% στους 150 βαθμούς σε σύγκριση με 25 μοίρες.
2, Διαδικασία καυτής σχεδίασης: έλεγχος κλειστού-βρόχου από την επιλογή έως την επαλήθευση
1. Κριτήρια επιλογής συσκευής
Επιλογή υλικού:
Πυρίτιο (Si): Κατάλληλο για μέση και χαμηλή τάση (<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 (>περιβάλλοντα 150 μοιρών. Για παράδειγμα, η δίοδος SiC Schottky της σειράς C3D βελτιώνει την απόδοση κατά 4% στη μετατροπή DC 48V/12V-DC.
Νιτρίδιο του γαλλίου (GaN): Η συχνότητα μεταγωγής μπορεί να φτάσει το επίπεδο MHz, αλλά απαιτεί ένα αντίστοιχο κύκλωμα οδήγησης και έχει υψηλό κόστος.
Φόρμα συσκευασίας:
Συσκευασία επιφανειακής τοποθέτησης (SMD): όπως η δίοδος SM4007 SMD, η περιοχή απαγωγής θερμότητας είναι τρεις φορές μεγαλύτερη από τη συσκευασία DO-41, καθιστώντας την κατάλληλη για πυκνή διάταξη.
Αρθρωτές συσκευασίες: όπως μονάδες PowerBLOCK, που ενσωματώνουν πολλαπλά τσιπ και υποστρώματα απαγωγής θερμότητας, μειώνοντας το RthJC κατά 50%.
2. Διάταξη PCB και σχεδιασμός απαγωγής θερμότητας
Σχέδιο φύλλου χαλκού:
Το κύριο κύκλωμα τροφοδοσίας υιοθετεί φύλλο χαλκού μεγάλης-επιφάνειας, ενώ κάτω από τα μαξιλαράκια συγκόλλησης είναι διατεταγμένες θερμικές αγωγές πολλαπλών{{1} στρωμάτων (Ø 0,3-0,5 mm, βήμα 1 mm) για μείωση της θερμικής αντίστασης.
Παράδειγμα: Σε έναν μετατροπέα DC-DC 12 kW, η θερμοκρασία του μαξιλαριού διόδου μειώθηκε από 105 μοίρες σε 78 μοίρες αυξάνοντας την πυκνότητα των θερμικών αγωγών.
Θερμομόνωση και ανεξάρτητη ζώνη:
Διατηρήστε απόσταση μεγαλύτερη ή ίση με 3 mm από ευαίσθητα στη θερμοκρασία εξαρτήματα (όπως τα τσιπ ελέγχου) και, εάν χρειάζεται, υποδοχή για μόνωση.
Αποφύγετε τη σχεδίαση στενού λαιμού συμφόρησης για να εξασφαλίσετε ομοιόμορφη διάχυση θερμότητας.
3. Επιλογή σχήματος απαγωγής θερμότητας
Τυπικά σενάρια μείωσης της θερμικής αντίστασης και του επιπέδου κόστους της μεθόδου απαγωγής θερμότητας
Φυσική μεταφορά χαμηλής ισχύος (<100W) 20-50% low
Μέση ισχύς εξαναγκασμένης ψύξης αέρα (100W-5kW) 50-70%
Water cooled high-power (>5kW) 70-90% υψηλό
Τα τοπικά hotspots (όπως MOSFET/δίοδοι) σωλήνων θερμότητας/πλακών εξισορρόπησης θερμοκρασίας είναι 60-80% μέτρια
Υπόθεση: Ένας συγκεκριμένος σταθμός φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων υιοθετεί ένα σχέδιο υδρόψυκτης πλάκας+θερμικά αγώγιμου γράσου σιλικόνης, το οποίο μειώνει τη θερμοκρασία σύνδεσης των διόδων SiC από 140 βαθμούς σε 95 βαθμούς και αυξάνει την πυκνότητα ισχύος στα 5 kW/L.
3, Θερμική προσομοίωση και επαλήθευση δοκιμών: Ποσοτικοποίηση κινδύνων ελέγχου
1. Θερμοηλεκτρική συνεργατική προσομοίωση
Εργαλεία: SPICE (υπολογισμός απώλειας)+FloTHERM/CEPAK (θερμική προσομοίωση).
τεχνολογική διαδικασία:
Εισαγάγετε την κυματομορφή εργασίας (I2F (rms), I2F (μέσο), τιμή κορυφής V_R, fs).
Εξαγάγετε τα Vf (@ ​​IF, Tj) και Qrr (@ dI/dt, V_R) από το εγχειρίδιο δεδομένων.
Προσομοίωση κατανομής θερμοκρασίας διασταύρωσης, βελτιστοποίηση της διάταξης και του σχεδίου απαγωγής θερμότητας.
Αποτέλεσμα: Ένας συγκεκριμένος φωτοβολταϊκός μετατροπέας μείωσε το σφάλμα πρόβλεψης της θερμοκρασίας σύνδεσης διόδου από ± 15 βαθμούς σε ± 3 μοίρες μέσω της προσομοίωσης.
2. Πραγματικές μέθοδοι δοκιμών
Δοκιμή αύξησης θερμοκρασίας:
Χρησιμοποιήστε ένα θερμοστοιχείο κοντά στο κάτω μέρος του μαξιλαριού συγκόλλησης και μια υπέρυθρη θερμική απεικόνιση για να βοηθήσετε στον εντοπισμό του θερμού σημείου.
Ανεβάστε το φορτίο για να αυξήσετε την ισχύ και καταγράψτε την καμπύλη αλλαγής θερμοκρασίας διακλάδωσης.
Γήρανση σε υψηλή θερμοκρασία:
Λειτουργήστε με πλήρες φορτίο για 1000 ώρες σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 85 μοιρών και παρακολουθήστε τη μετατόπιση Vf (θα πρέπει να είναι<5%).
Δοκιμή θερμικού κύκλου:
-Κυκλοφορήστε τη θερμοκρασία από 40 βαθμούς σε 125 βαθμούς για 1000 φορές και ελέγξτε την ακεραιότητα του στρώματος συγκόλλησης και της συσκευασίας.
4, περιπτώσεις εφαρμογών βιομηχανίας και τυπική συμμόρφωση
1. Τυπικά σενάρια εφαρμογής
Σταθμός φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων:
Υιοθέτηση της μονάδας διόδου SiC MOSFET+SiC Schottky, υδρόψυκτης διάχυσης θερμότητας, που ικανοποιεί την απαίτηση θερμοκρασίας σύνδεσης Λιγότερη ή ίση με 125 βαθμούς στο πρότυπο IEC 61851-1.
Βιομηχανικός μετατροπέας:
Χρησιμοποιώντας τη μονάδα FF400R12KE3G IGBT, σε συνδυασμό με ψύκτρα με πτερύγια σε σχήμα βελόνας, πέρασε την τυπική δοκιμή αύξησης θερμοκρασίας UL 840.
Τροφοδοτικό κέντρου δεδομένων:
The 48V/12V DC-DC converter adopts GaN devices and temperature equalization plates, meeting the DOE 2025 energy efficiency standard (peak efficiency>96%).
2. Συμμόρφωση με τα διεθνή πρότυπα
IEC 60747-1: καθορίζει τη μέγιστη θερμοκρασία σύνδεσης και το εύρος θερμοκρασίας αποθήκευσης των διόδων (Tstg=150 βαθμός , όριο 672 ωρών).
JEDEC JESD51: Ορίστε μεθόδους δοκιμής θερμικής αντίστασης, συμπεριλαμβανομένων των δοκιμών σταθερής-κατάστασης (JESD51-1) και παροδικής (JESD51-14).
AEC-Ε101: Οι δίοδοι κατηγορίας αυτοκινήτου πρέπει να υποβάλλονται σε δοκιμή κύκλου θερμοκρασίας από -40 βαθμούς C έως 150 βαθμούς C για να διασφαλιστεί η αξιοπιστία 10 ετών.