Jakie są standardy projektowania termicznego diod w układach konwersji energii elektrycznej?

一, Podstawy projektowania termicznego: kluczowe parametry i mechanizmy awarii
Definicja parametrów termicznych rdzenia
Temperatura złącza (Tvj): Średnia temperatura złącza PN, która jest głównym wskaźnikiem pomiaru stanu cieplnego urządzenia. Zgodnie ze „Specyfikacją techniczną fotodiod krzemowych SJ/T 2216-2015” maksymalna dopuszczalna temperatura złącza dla diod krzemowych wynosi zwykle 125–150 stopni, a dla diod z węglika krzemu (SiC) może osiągnąć 175 stopni.
Opór cieplny (Rth): parametr opisujący efektywność wymiany ciepła, podzielony na opór cieplny w stanie ustalonym (RthJC, RthCH, RthHA) i przejściowy opór cieplny (ZthJC, ZthCA). Na przykład RthJC modułu IGBT Infineon FF400R12KE3G wynosi 0,15 K/W, co oznacza, że ​​na każdy 1 stopień wzrostu temperatury złącza należy rozproszyć 6,67 W mocy.
Główne tryby awarii termicznej diod obejmują:
Przebicie termiczne: Temperatura złącza przekracza granicę materiału, powodując trwałe uszkodzenie złącza PN.
Zmęczenie cieplne: Powtarzające się cykle termiczne mogą powodować pękanie warstwy lutowia, takie jak pęknięcia zmęczeniowe na stykach spawania eutektycznego w temperaturach od -40 stopni do 125 stopni.
Dryft parametrów: Wysoka temperatura powoduje wzrost spadku napięcia przewodzenia (Vf) i ładunku zwrotnego (Qrr), na przykład Vf diod Schottky'ego wzrasta o 20% przy 150 stopniach w porównaniu do 25 stopni.
2. Proces projektowania na gorąco:-kontrola w zamkniętej pętli od wyboru do weryfikacji
1. Kryteria wyboru urządzeń
Wybór materiału:
Krzem (Si): Nadaje się do średniego i niskiego napięcia (<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 stopni) środowiska. Na przykład dioda SiC Schottky’ego serii C3D poprawia wydajność o 4% przy konwersji prądu stałego 48 V/12 V-DC.
Azotek galu (GaN): Częstotliwość przełączania może osiągnąć poziom MHz, ale wymaga odpowiedniego obwodu sterownika i jest kosztowny.
Forma opakowania:
Opakowanie do montażu powierzchniowego (SMD): takie jak dioda SMD SM4007, obszar rozpraszania ciepła jest trzy razy większy niż opakowanie DO-41, dzięki czemu nadaje się do gęstego układu.
Opakowania modułowe: takie jak moduły PowerBLOCK, integrujące wiele chipów i podłoża rozpraszające ciepło, redukujące RthJC o 50%.
2. Układ PCB i projekt odprowadzania ciepła
Konstrukcja z folii miedzianej:
W głównym obwodzie zasilania zastosowano folię miedzianą-o dużej powierzchni, a pod polami lutowniczymi umieszczono wielo-warstwowe przelotki termiczne (o średnicy 0,3–0,5 mm, raster 1 mm), aby zmniejszyć opór cieplny.
Przykład: w przetwornicy prądu stałego-DC o mocy 12 kW temperaturę podkładki diodowej obniżono ze 105 stopni do 78 stopni poprzez zwiększenie gęstości przelotek termicznych.
Izolacja termiczna i strefa niezależna:
Zachowaj odległość większą lub równą 3 mm od elementów wrażliwych na temperaturę (takich jak chipy sterujące) i, jeśli to konieczne, szczeliny na izolację.
Unikaj konstrukcji z wąskim gardłem, aby zapewnić równomierne rozprowadzanie ciepła.
3. Wybór schematu odprowadzania ciepła
Typowy efekt redukcji oporu cieplnego i poziom kosztów metody rozpraszania ciepła, mające zastosowanie scenariusze
Konwekcja naturalna małej mocy (<100W) 20-50% low
Wymuszone chłodzenie powietrzem średnia moc (100W-5kW) 50-70%
Water cooled high-power (>5kW) 70-90% wysokości
Lokalne gorące punkty (takie jak MOSFET/diody) rurek cieplnych/płytek wyrównujących temperaturę mają średni poziom 60-80%
Przypadek: w pewnej stacji ładowania pojazdów elektrycznych zastosowano schemat-chłodzonej wodą płyty i przewodzącego ciepło smaru silikonowego, który zmniejsza temperaturę złącza diod SiC ze 140 stopni do 95 stopni i zwiększa gęstość mocy do 5 kW/l.
3, Symulacja termiczna i weryfikacja testów: Kwantyfikacja ryzyka kontroli
1. Symulacja współpracy termoelektrycznej
Narzędzia: SPICE (obliczenie strat)+FloTHERM/CEPAK (symulacja termiczna).
proces technologiczny:
Wprowadź przebieg roboczy (I2F (rms), I2F (średnia), wartość szczytowa V_R, fs).
Wyodrębnij Vf (@IF, Tj) i Qrr (@ dI/dt, V_R) z podręcznika danych.
Symuluj rozkład temperatury złącza, optymalizuj układ i schemat rozpraszania ciepła.
Wynik: Pewny falownik fotowoltaiczny w wyniku symulacji zmniejszył błąd przewidywania temperatury złącza diody z ± 15 stopni do ± 3 stopni.
2. Rzeczywiste metody testowania
Test wzrostu temperatury:
Użyj termopary znajdującej się blisko spodu pola lutowniczego i kamery termowizyjnej na podczerwień, aby pomóc w zlokalizowaniu gorącego punktu.
Zwiększ obciążenie, aby zwiększyć moc i zapisz krzywą zmiany temperatury złącza.
Starzenie w wysokiej temperaturze:
Pracuj przy pełnym obciążeniu przez 1000 godzin w temperaturze otoczenia 85 stopni i monitoruj dryft Vf (powinien być<5%).
Test cyklu termicznego:
-Zmieniaj temperaturę z 40 stopni na 125 stopni 1000 razy i sprawdź integralność warstwy lutu i opakowania.
4, Przypadki zastosowań branżowych i zgodność ze standardami
1. Typowe scenariusze zastosowań
Stacja ładowania pojazdów elektrycznych:
Zastosowanie modułu diody SiC MOSFET+SiC Schottky'ego,-chłodzone wodą rozpraszanie ciepła, spełniające wymagania dotyczące temperatury złącza Mniej niż lub równe 125 stopni zgodnie z normą IEC 61851-1.
Falownik przemysłowy:
Przy użyciu modułu IGBT FF400R12KE3G w połączeniu z radiatorem w kształcie igły, przeszedł on standardowy test wzrostu temperatury UL 840.
Zasilanie centrum danych:
The 48V/12V DC-DC converter adopts GaN devices and temperature equalization plates, meeting the DOE 2025 energy efficiency standard (peak efficiency>96%).
2. Zgodność z międzynarodowymi standardami
IEC 60747-1: określa maksymalną temperaturę złącza i zakres temperatury przechowywania diod (stopień Tstg=150, limit 672 godzin).
JEDEC JESD51: Zdefiniuj metody testowania rezystancji termicznej, w tym testy w stanie ustalonym (JESD51-1) i przejściowym (JESD51-14).
AEC-Q101: Aby zapewnić 10-letnią niezawodność, diody samochodowe muszą zostać poddane testom cyklicznym w zakresie temperatur od -40 stopni C do 150 stopni C.