Који су стандарди термичког дизајна за диоде у системима за конверзију електричне енергије?

一, Основи термичког пројектовања: кључни параметри и механизми отказа
Дефиниција термичких параметара језгра
Температура споја (Твј): Просечна температура ПН споја, која је основни индикатор за мерење термичког стања уређаја. Према "СЈ/Т 2216-2015 Техничкој спецификацији за силицијумске фотодиоде", максимална дозвољена температура споја за диоде на бази силицијума је обично 125-150 степени, а за диоде од силицијум карбида (СиЦ) може да достигне 175 степени.
Топлотни отпор (Ртх): параметар који описује ефикасност преноса топлоте, подељен на топлотни отпор-у стационарном стању (РтхЈЦ, РтхЦХ, РтхХА) и пролазни топлотни отпор (ЗтхЈЦ, ЗтхЦА). На пример, РтхЈЦ Инфинеон ФФ400Р12КЕ3Г ИГБТ модула је 0,15К/В, што указује да за сваки 1 степен повећања температуре споја, 6,67В снаге треба да се расипа.
Главни начини термичког квара диода укључују:
Термички квар: Температура споја прелази границу материјала, што доводи до трајног оштећења ПН споја.
Термички замор: Понављани термички циклуси могу изазвати пуцање слоја лемљења, као што су пукотине од замора на еутектичким интерфејсима за заваривање на температурама у распону од -40 степени до 125 степени.
Померање параметара: Висока температура изазива повећање пада напона проводљивости (Вф) и повратног пуњења (Крр), на пример, Вф Шоткијевих диода се повећава за 20% на 150 степени у поређењу са 25 степени.
2, Хот дизајн процес: затворена-контрола петље од избора до верификације
1. Критеријуми за избор уређаја
Избор материјала:
Силицијум (Си): Погодно за средњи и ниски напон (<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 степени) окружења. На пример, СиЦ Шоткијева диода серије Ц3Д побољшава ефикасност за 4% у 48В/12В ДЦ-ДЦ конверзији.
Галијум нитрид (ГаН): Фреквенција пребацивања може да достигне ниво МХз, али захтева одговарајуће коло драјвера и има високу цену.
Форма паковања:
Паковање за површинску монтажу (СМД): као што је СМ4007 СМД диода, површина дисипације топлоте је три пута већа од ДО-41 паковања, што га чини погодним за густ распоред.
Модуларно паковање: као што су ПоверБЛОЦК модули, интегришући више чипова и подлога за расипање топлоте, смањујући РтхЈЦ за 50%.
2. ПЦБ распоред и дизајн одвођења топлоте
Дизајн бакарне фолије:
Главно струјно коло користи бакарну фолију велике{0}}површине, а вишеслојне-слојне термалне спојнице (Ø 0,3-0,5 мм, корак 1 мм) су распоређене испод јастучића за лемљење ради смањења топлотног отпора.
Пример: У ДЦ-ДЦ конвертору од 12кВ, температура диодног јастучића је смањена са 105 степени на 78 степени повећањем густине термичких прелаза.
Топлотна изолација и независна зона:
Одржавајте растојање веће од или једнако 3 мм од компоненти осетљивих на температуру (као што су контролни чипови), и ако је потребно, прорез за изолацију.
Избегавајте дизајн уског грла са уским грлом да бисте обезбедили равномерну дифузију топлоте.
3. Избор шеме одвођења топлоте
Типични ефекат смањења топлотног отпора и ниво трошкова методе одвођења топлоте применљиви сценарији
Природна конвекција мале снаге (<100W) 20-50% low
Принудно ваздушно хлађење средње снаге (100В-5кВ) 50-70%
Water cooled high-power (>5кВ) 70-90% високо
Локалне вруће тачке (као што су МОСФЕТ-ови/диоде) топлотних цеви/плоча за изједначавање температуре су 60-80% средње високе
Случај: Одређена станица за пуњење електричних возила користи воду{0}}хлађену плочу + топлотно проводну силиконску маст, која смањује температуру споја СиЦ диода са 140 степени на 95 степени и повећава густину снаге на 5кВ/Л.
3, Термичка симулација и верификација тестирања: Квантификација контролних ризика
1. Термоелектрична колаборативна симулација
Алати: СПИЦЕ (прорачун губитка)+ФлоТХЕРМ/ЦЕПАК (термална симулација).
технолошки процес:
Унесите радни таласни облик (И2Ф (рмс), И2Ф (средња вредност), вршна вредност В_Р, фс).
Издвојите Вф (@ ИФ, Тј) и КРр (@ дИ/дт, В_Р) из приручника са подацима.
Симулирајте дистрибуцију температуре споја, оптимизујте распоред и шему одвођења топлоте.
Резултат: Одређени фотонапонски претварач је смањио грешку предвиђања температуре диодног споја са ± 15 степени на ± 3 степена кроз симулацију.
2. Стварне методе испитивања
Тест пораста температуре:
Користите термоелемент близу дна јастучића за лемљење и инфрацрвени термовизир да бисте помогли у лоцирању вруће тачке.
Повећајте оптерећење да бисте повећали снагу и забележили криву промене температуре споја.
Старење на високим температурама:
Радите при пуном оптерећењу 1000 сати на температури околине од 85 степени и пратите одступање Вф (требало би<5%).
Тест термичког циклуса:
-Измените температуру од 40 степени до 125 степени 1000 пута и проверите интегритет слоја лемљења и паковања.
4, случајеви примене у индустрији и усклађеност са стандардима
1. Типични сценарији примене
Станица за пуњење електричних возила:
Усвајање СиЦ МОСФЕТ+СиЦ Шоткијевог диодног модула, одвођење топлоте{1}}хлађено водом, испуњавање захтева за температуру споја мању или једнаку 125 степени у стандарду ИЕЦ 61851-1.
Индустријски претварач:
Користећи ФФ400Р12КЕ3Г ИГБТ модул, упарен са хладњаком у облику пераја, прошао је стандардни тест пораста температуре УЛ 840.
Напајање дата центра:
The 48V/12V DC-DC converter adopts GaN devices and temperature equalization plates, meeting the DOE 2025 energy efficiency standard (peak efficiency>96%).
2. Усклађеност са међународним стандардима
ИЕЦ 60747-1: специфицира максималну температуру споја и опсег температуре складиштења диода (Тстг=150 степен, ограничење од 672 сата).
ЈЕДЕЦ ЈЕСД51: Дефинишите методе испитивања термичке отпорности, укључујући испитивање у стабилном{1}} стању (ЈЕСД51-1) и пролазно (ЈЕСД51-14).
АЕЦ-П101: Диоде за аутомобиле морају да се подвргну тестирању циклуса температуре од -40 степени Ц до 150 степени Ц да би се осигурала 10-годишња поузданост.