Kakšni so standardi toplotne zasnove za diode v sistemih za pretvorbo električne energije?

一, Osnove toplotnega načrtovanja: ključni parametri in mehanizmi odpovedi
Opredelitev osnovnih toplotnih parametrov
Temperatura spoja (Tvj): Povprečna temperatura spoja PN, ki je glavni indikator za merjenje toplotnega stanja naprave. V skladu s tehničnimi specifikacijami "SJ/T 2216-2015 za silicijeve fotodiode" je največja dovoljena temperatura spoja za diode na osnovi silicija običajno 125-150 stopinj, za diode iz silicijevega karbida (SiC) pa lahko doseže 175 stopinj.
Toplotna upornost (Rth): parameter, ki opisuje učinkovitost prenosa toplote, razdeljen na toplotno upornost v -stacionarnem stanju (RthJC, RthCH, RthHA) in prehodno toplotno upornost (ZthJC, ZthCA). Na primer, RthJC modula IGBT Infineon FF400R12KE3G je 0,15 K/W, kar kaže, da je treba za vsako 1 stopinjo povečanja temperature spoja porabiti 6,67 W moči.
Glavni načini toplotne okvare diod vključujejo:
Toplotna okvara: temperatura spoja presega mejo materiala, kar povzroči trajno poškodbo PN spoja.
Toplotna utrujenost: Ponavljajoči se termični cikli lahko povzročijo razpoke spajkalne plasti, kot so razpoke zaradi utrujenosti na evtektičnih varilnih vmesnikih pri temperaturah v razponu od -40 stopinj do 125 stopinj.
Premik parametrov: Visoka temperatura povzroči povečanje padca prevodne napetosti (Vf) in povratnega povratnega naboja (Qrr), na primer Vf Schottkyjevih diod se poveča za 20 % pri 150 stopinjah v primerjavi s 25 stopinjami.
2, Vroči proces načrtovanja: nadzor-zanke od izbire do preverjanja
1. Merila za izbiro naprave
Izbira materiala:
Silicij (Si): primeren za srednje in nizke napetosti (<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 stopinj ). Na primer, SiC Schottkyjeva dioda serije C3D izboljša učinkovitost za 4 % pri pretvorbi 48 V/12 V DC-DC.
Galijev nitrid (GaN): preklopna frekvenca lahko doseže raven MHz, vendar zahteva ustrezno gonilno vezje in ima visoke stroške.
Oblika pakiranja:
Embalaža za površinsko montažo (SMD): kot je dioda SM4007 SMD, je površina odvajanja toplote trikrat večja od embalaže DO-41, zaradi česar je primerna za gosto postavitev.
Modularno pakiranje: kot so moduli PowerBLOCK, ki vključujejo več čipov in substratov za odvajanje toplote, kar zmanjša RthJC za 50 %.
2. Postavitev PCB in zasnova odvajanja toplote
Oblikovanje bakrene folije:
Glavno napajalno vezje uporablja bakreno-površinsko bakreno folijo, več-slojne toplotne odprtine (Ø 0,3–0,5 mm, korak 1 mm) pa so razporejene pod spajkalnimi ploščicami za zmanjšanje toplotnega upora.
Primer: V 12kW pretvorniku DC-DC je bila temperatura diodne ploščice znižana s 105 stopinj na 78 stopinj s povečanjem gostote toplotnih prehodov.
Toplotna izolacija in neodvisna cona:
Ohranite razdaljo večjo ali enako 3 mm od temperaturno občutljivih komponent (kot so krmilni čipi) in po potrebi režo za izolacijo.
Izogibajte se oblikovanju ozkega grla z ozkim vratom, da zagotovite enakomerno razpršitev toplote.
3. Izbira sheme odvajanja toplote
Tipičen učinek zmanjšanja toplotne upornosti in stopnja stroškov uporabljene metode odvajanja toplote
Naravna konvekcija nizke moči (<100W) 20-50% low
Prisilno zračno hlajenje srednje moči (100W-5kW) 50-70%
Water cooled high-power (>5kW) 70-90 % visoka
Lokalne vroče točke (kot so MOSFET-ji/diode) toplotnih cevi/plošč za izravnavo temperature so 60-80 % srednje visoke
Primer: določena polnilna postaja za električna vozila uporablja vodno{0}}hlajeno ploščo + toplotno prevodno silikonsko mast, ki zniža temperaturo spoja diod SiC s 140 stopinj na 95 stopinj in poveča gostoto moči na 5 kW/L.
3, Toplotna simulacija in preverjanje testiranja: Kvantificiranje nadzornih tveganj
1. Toplotna električna kolaborativna simulacija
Orodja: SPICE (izračun izgub)+FloTHERM/CEPAK (toplotna simulacija).
tehnološki proces:
Vnesite delovno valovno obliko (I2F (rms), I2F (avg), najvišja vrednost V_R, fs).
Izvlecite Vf (@ ​​IF, Tj) in Qrr (@ dI/dt, V_R) iz podatkovnega priročnika.
Simulirajte porazdelitev temperature spoja, optimizirajte postavitev in shemo odvajanja toplote.
Rezultat: Določen fotovoltaični pretvornik je s simulacijo zmanjšal napako napovedi temperature spoja diod z ± 15 stopinj na ± 3 stopinje.
2. Dejanske metode testiranja
Preskus dviga temperature:
Za pomoč pri lociranju vroče točke uporabite termoelement blizu dna spajkalne blazinice in infrardečo toplotno sliko.
Povečajte obremenitev, da povečate moč, in zabeležite krivuljo spremembe temperature spoja.
Visokotemperaturno staranje:
Delujte pri polni obremenitvi 1000 ur pri temperaturi okolja 85 stopinj in spremljajte odmik Vf (mora biti<5%).
Preskus termičnega cikla:
-1000-krat spremenite temperaturo od 40 stopinj do 125 stopinj in preverite celovitost spajkalne plasti in embalaže.
4, primeri uporabe v industriji in skladnost s standardi
1. Tipični scenariji uporabe
Polnilna postaja za električna vozila:
Sprejem modula SiC MOSFET+SiC Schottky diode, vodno{1}}hlajeno odvajanje toplote, izpolnjevanje zahteve glede temperature spoja Manjše ali enako 125 stopinjam v standardu IEC 61851-1.
Industrijski pretvornik:
Z uporabo IGBT modula FF400R12KE3G, ki je povezan s toplotnim odvodom v obliki igle, je opravil standardni preskus dviga temperature UL 840.
Napajanje podatkovnega 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. Skladnost z mednarodnimi standardi
IEC 60747-1: določa najvišjo temperaturo spoja in temperaturno območje shranjevanja diod (Tstg=150 stopinj, omejitev 672 ur).
JEDEC JESD51: Določite metode testiranja toplotne odpornosti, vključno s testiranjem v-stalnem stanju (JESD51-1) in prehodnim (JESD51-14).
AEC-Q101: Za zagotovitev 10-letne zanesljivosti morajo biti diode za avtomobilsko industrijo podvržene preskusu temperaturnih ciklov od –40 stopinj C do 150 stopinj C.