Kādi ir siltuma projektēšanas standarti diodēm elektroenerģijas pārveidošanas sistēmās?

一, Termiskās konstrukcijas pamati: galvenie parametri un atteices mehānismi
Galveno termisko parametru definīcija
Savienojuma temperatūra (Tvj): PN savienojuma vidējā temperatūra, kas ir galvenais indikators ierīces termiskā stāvokļa mērīšanai. Saskaņā ar "SJ/T 2216-2015. gada tehnisko specifikāciju silīcija fotodiodēm" maksimālā pieļaujamā savienojuma temperatūra silīcija diodēm parasti ir 125–150 grādi, bet silīcija karbīda (SiC) diodēm tā var sasniegt 175 grādus.
Termiskā pretestība (Rth): parametrs, kas raksturo siltuma pārneses efektivitāti, kas sadalīts stabilā -stāvokļa termiskajā pretestībā (RthJC, RthCH, RthHA) un pārejošā termiskajā pretestībā (ZthJC, ZthCA). Piemēram, Infineon FF400R12KE3G IGBT moduļa RthJC ir 0,15 K/W, kas norāda, ka par katru krustojuma temperatūras pieaugumu par 1 grādu ir jāizkliedē 6,67 W jauda.
Galvenie diožu termiskās atteices režīmi ir:
Termiskais sadalījums: savienojuma temperatūra pārsniedz materiāla robežu, radot neatgriezeniskus bojājumus PN savienojumam.
Termiskais nogurums: atkārtoti termiski cikli var izraisīt lodēšanas slāņa plaisāšanu, piemēram, noguruma plaisas eitektiskās metināšanas saskarnēs temperatūrā no -40 grādiem līdz 125 grādiem.
Parametru novirze: augsta temperatūra izraisa vadīšanas sprieguma krituma (Vf) un reversās atkopšanas maksas (Qrr) palielināšanos, piemēram, Šotkija diožu Vf palielinās par 20% pie 150 grādiem, salīdzinot ar 25 grādiem.
2. Karstais projektēšanas process: slēgta-cikla vadība no atlases līdz pārbaudei
1. Ierīces izvēles kritēriji
Materiālu izvēle:
Silīcijs (Si): piemērots vidējam un zemam spriegumam (<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 grādu) vidē. Piemēram, C3D sērijas SiC Schottky diode uzlabo efektivitāti par 4% 48V/12V DC-DC konversijā.
Gallija nitrīds (GaN): pārslēgšanas frekvence var sasniegt MHz līmeni, taču tai ir nepieciešama atbilstoša draivera ķēde, un tam ir augstas izmaksas.
Iepakojuma forma:
Virsmas montāžas iepakojums (SMD): piemēram, SM4007 SMD diode, siltuma izkliedes laukums ir trīs reizes lielāks nekā DO-41 iepakojumam, tāpēc tas ir piemērots blīvam izkārtojumam.
Moduļu iepakojums: piemēram, PowerBLOCK moduļi, integrējot vairākas mikroshēmas un siltuma izkliedes substrātus, samazinot RthJC par 50%.
2. PCB izkārtojums un siltuma izkliedes dizains
Vara folijas dizains:
Galvenā barošanas ķēde izmanto lielas -platības vara foliju, un zem lodēšanas paliktņiem ir izvietoti daudzslāņu termiskie caurumi (Ø 0,3–0,5 mm, solis 1 mm), lai samazinātu termisko pretestību.
Piemērs: 12kW DC-DC pārveidotājā diodes spilventiņa temperatūra tika samazināta no 105 grādiem līdz 78 grādiem, palielinot termisko cauruļu blīvumu.
Siltumizolācija un neatkarīga zona:
Saglabājiet attālumu, kas ir lielāks vai vienāds ar 3 mm no temperatūras jutīgām sastāvdaļām (piemēram, vadības mikroshēmām) un, ja nepieciešams, izveidojiet izolācijas spraugu.
Izvairieties no šaura kakla šauruma, lai nodrošinātu vienmērīgu siltuma izkliedi.
3. Siltuma izkliedes shēmas izvēle
Tipisks siltuma pretestības samazināšanas efekts un siltuma izkliedes metodes izmaksu līmenis piemērojamie scenāriji
Dabiskās konvekcijas mazjauda (<100W) 20-50% low
Piespiedu gaisa dzesēšanas vidēja jauda (100W-5kW) 50-70%
Water cooled high-power (>5kW) 70-90% augsts
Siltuma cauruļu/temperatūras izlīdzināšanas plākšņu lokālie karstie punkti (piemēram, MOSFET/diodes) ir 60–80% vidēji augsti
Gadījums: noteiktā elektriskā transportlīdzekļa uzlādes stacijā tiek izmantota ūdens -dzesēšanas plāksne + siltumvadītspējīga silikona smērvielas shēma, kas samazina SiC diožu savienojuma temperatūru no 140 grādiem līdz 95 grādiem un palielina jaudas blīvumu līdz 5 kW/L.
3. Termiskā simulācija un testēšanas pārbaude: kontroles risku kvantitatīva noteikšana
1. Termiskā elektriskā sadarbības simulācija
Instrumenti: SPICE (zaudējumu aprēķins)+FloTHERM/CEPAK (termiskā simulācija).
tehnoloģiskais process:
Ievadiet darba viļņu formu (I2F (rms), I2F (vid.), maksimālā vērtība V_R, fs).
Izņemiet Vf (@ ​​IF, Tj) un QRr (@ dI/dt, V_R) no datu rokasgrāmatas.
Simulēt krustojuma temperatūras sadalījumu, optimizēt izkārtojumu un siltuma izkliedes shēmu.
Rezultāts: noteikts fotoelektriskais invertors ar simulācijas palīdzību samazināja diodes savienojuma temperatūras prognozēšanas kļūdu no ± 15 grādiem līdz ± 3 grādiem.
2. Faktiskās pārbaudes metodes
Temperatūras paaugstināšanās tests:
Izmantojiet termopāri tuvu lodēšanas paliktņa apakšai un infrasarkano staru termovizoru, lai palīdzētu noteikt karsto punktu.
Palieliniet slodzi, lai palielinātu jaudu un reģistrētu krustojuma temperatūras izmaiņu līkni.
Novecošana augstā temperatūrā:
Darbiniet ar pilnu slodzi 1000 stundas pie 85 grādu apkārtējās vides temperatūras un uzraugiet Vf novirzi (jābūt<5%).
Termiskā cikla tests:
-1000 reizes iestatiet temperatūru no 40 grādiem līdz 125 grādiem un pārbaudiet lodēšanas slāņa un iepakojuma integritāti.
4, nozares pielietojuma gadījumi un atbilstība standartam
1. Tipiski pielietojuma scenāriji
Elektrisko transportlīdzekļu uzlādes stacija:
Tiek pieņemts SiC MOSFET+SiC Schottky diodes modulis, ūdens dzesēšanas siltuma izkliede, kas atbilst savienojuma temperatūras prasībām, kas ir mazāka par vai vienāda ar 125 grādiem saskaņā ar IEC 61851-1 standartu.
Rūpnieciskais invertors:
Izmantojot FF400R12KE3G IGBT moduli, kas savienots pārī ar adatas formas dzesētāju, tika izturēts UL 840 standarta temperatūras paaugstināšanās tests.
Datu centra barošanas avots:
The 48V/12V DC-DC converter adopts GaN devices and temperature equalization plates, meeting the DOE 2025 energy efficiency standard (peak efficiency>96%).
2. Atbilstība starptautiskajiem standartiem
IEC 60747-1: norāda maksimālo savienojuma temperatūru un diožu uzglabāšanas temperatūras diapazonu (Tstg=150 grāds, 672 stundu ierobežojums).
JEDEC JESD51: definējiet termiskās pretestības pārbaudes metodes, tostarp līdzsvara stāvokļa (JESD51-1) un pārejas (JESD51-14) testēšanu.
AEC-Q101: lai nodrošinātu 10 gadu uzticamību, automobiļu klases diodēm ir jāveic temperatūras cikliskā testēšana no -40 °C līdz 150 °C.