Які стандарти теплового проектування для діодів у системах перетворення електричної енергії?

一, Основи теплового проектування: ключові параметри та механізми відмови
Визначення основних теплових параметрів
Температура з’єднання (Tvj): середня температура PN-з’єднання, яка є основним показником для вимірювання теплового стану пристрою. Відповідно до «SJ/T 2216-2015 Technical Specification for Silicon Photodiodes» максимально допустима температура з’єднання для діодів на основі кремнію зазвичай становить 125-150 градусів, а для діодів з карбіду кремнію (SiC) вона може досягати 175 градусів.
Термічний опір (Rth): параметр, який описує ефективність теплопередачі, розділений на тепловий опір у стаціонарному -стані (RthJC, RthCH, RthHA) і перехідний термічний опір (ZthJC, ZthCA). Наприклад, RthJC модуля Infineon FF400R12KE3G IGBT становить 0,15 К/Вт, що вказує на те, що для кожного збільшення температури переходу на 1 градус потрібно розсіювати 6,67 Вт потужності.
До основних теплових режимів руйнування діодів відносяться:
Тепловий пробій: температура з’єднання перевищує ліміт матеріалу, що спричиняє незворотне пошкодження PN-з’єднання.
Термічна втома: повторювані термічні цикли можуть спричинити розтріскування шару припою, наприклад втомні тріщини на евтектичних зварювальних поверхнях при температурах від -40 градусів до 125 градусів.
Зміщення параметрів: висока температура викликає збільшення падіння напруги провідності (Vf) і зворотного заряду відновлення (Qrr), наприклад, Vf діодів Шотткі збільшується на 20% при 150 градусах порівняно з 25 градусами.
2. Гарячий процес проектування: замкнутий-цикл керування від вибору до перевірки
1. Критерії вибору пристрою
Вибір матеріалу:
Кремній (Si): підходить для середньої та низької напруги (<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 градусів ). Наприклад, SiC-діод Шотткі серії C3D підвищує ефективність на 4% при перетворенні 48 В/12 В постійного струму-.
Нітрид галію (GaN): частота перемикання може досягати рівня МГц, але для цього потрібна відповідна схема драйвера та висока вартість.
Форма упаковки:
Упаковка для поверхневого монтажу (SMD): така як діод SM4007 SMD, площа розсіювання тепла втричі більша, ніж упаковка DO-41, що робить її придатною для щільного розташування.
Модульна упаковка: наприклад, модулі PowerBLOCK, інтеграція кількох чіпів і підкладок для розсіювання тепла, що зменшує RthJC на 50%.
2. Компонування друкованої плати та дизайн розсіювання тепла
Дизайн мідної фольги:
Основна схема живлення використовує-мідну фольгу великої площі, а багато-теплові отвори (Ø 0,3-0,5 мм, крок 1 мм) розташовані під контактними майданчиками для пайки, щоб зменшити термічний опір.
Приклад: у перетворювачі DC-DC потужністю 12 кВт температуру діодної площадки було знижено зі 105 градусів до 78 градусів завдяки збільшенню щільності теплових отворів.
Теплоізоляція та незалежна зона:
Тримайте відстань більше або дорівнює 3 мм від чутливих до температури компонентів (таких як мікросхеми керування) і, якщо необхідно, гнізда для ізоляції.
Уникайте вузького вузького горлечка, щоб забезпечити рівномірну дифузію тепла.
3. Вибір схеми тепловідведення
Типовий ефект зниження теплового опору та рівень вартості застосовних сценаріїв методу розсіювання тепла
Природна конвекція низької потужності (<100W) 20-50% low
Примусове повітряне охолодження середньої потужності (100W-5kW) 50-70%
Water cooled high-power (>5 кВт) 70-90% високий
Місцеві гарячі точки (наприклад, МОП-транзистори/діоди) теплових трубок/пластин вирівнювання температури на 60-80% середнього рівня
Випадок: певна зарядна станція для електромобілів використовує водяну{0}}охолоджену пластину+теплопровідну силіконову мастило, яка знижує температуру з’єднання діодів SiC зі 140 градусів до 95 градусів і збільшує щільність потужності до 5 кВт/л.
3, Термічне моделювання та перевірка тестування: кількісна оцінка ризиків контролю
1. Теплоелектричне спільне моделювання
Інструменти: SPICE (розрахунок втрат)+FloTHERM/CEPAK (термічне моделювання).
технологічний процес:
Введіть робочу форму сигналу (I2F (середньоквадратичне значення), I2F (середнє значення), пікове значення V_R, fs).
Витягніть Vf (@ ​​IF, Tj) і Qrr (@ dI/dt, V_R) із посібника з даних.
Імітація розподілу температури спаю, оптимізація компонування та схеми розсіювання тепла.
Результат: певний фотоелектричний інвертор зменшив помилку передбачення температури діодного переходу з ± 15 градусів до ± 3 градусів за допомогою моделювання.
2. Фактичні методи тестування
Тест підвищення температури:
Використовуйте термопару поблизу нижньої частини паяльної площадки та інфрачервоний тепловізор, щоб допомогти знайти гарячу точку.
Збільште навантаження, щоб збільшити потужність, і запишіть криву зміни температури переходу.
Високотемпературне старіння:
Працювати при повному навантаженні протягом 1000 годин при температурі навколишнього середовища 85 градусів і контролювати дрейф Vf (має бути<5%).
Тест на термоцикл:
-Змініть температуру від 40 градусів до 125 градусів 1000 разів і перевірте цілісність шару припою та упаковки.
4, Випадки застосування в галузі та відповідність стандартам
1. Типові сценарії застосування
Станція зарядки електромобілів:
Застосування SiC MOSFET+SiC діодного модуля Шотткі, водяне-охолодження, розсіювання тепла, що відповідає вимогам температури переходу Менше або дорівнює 125 градусам у стандарті IEC 61851-1.
Промисловий інвертор:
Використання модуля IGBT FF400R12KE3G у поєднанні з радіатором із голчастими ребрами пройшло стандартне випробування підвищення температури UL 840.
Електропостачання ЦОД:
The 48V/12V DC-DC converter adopts GaN devices and temperature equalization plates, meeting the DOE 2025 energy efficiency standard (peak efficiency>96%).
2. Відповідність міжнародним стандартам
IEC 60747-1: визначає максимальну температуру переходу та діапазон температур зберігання діодів (Tstg=150 градус, обмеження 672 години).
JEDEC JESD51: Визначення методів випробування термічного опору, включаючи випробування в стаціонарному-стані (JESD51-1) і перехідному (JESD51-14).
AEC-Q101: автомобільні діоди повинні пройти випробування на зміну температури від -40 градусів C до 150 градусів C, щоб гарантувати 10-річну надійність.