มาตรฐานการออกแบบการระบายความร้อนสำหรับไดโอดในระบบแปลงพลังงานไฟฟ้ามีอะไรบ้าง

ประการที่ 1 พื้นฐานของการออกแบบการระบายความร้อน: พารามิเตอร์หลักและกลไกความล้มเหลว
คำจำกัดความของพารามิเตอร์ความร้อนหลัก
อุณหภูมิจุดเชื่อมต่อ (Tvj): อุณหภูมิเฉลี่ยของจุดเชื่อมต่อ PN ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้หลักสำหรับการวัดสถานะความร้อนของอุปกรณ์ ตาม "ข้อกำหนดทางเทคนิค SJ/T 2216-2015 สำหรับโฟโตไดโอดซิลิคอน" อุณหภูมิจุดเชื่อมต่อสูงสุดที่อนุญาตสำหรับไดโอดที่ใช้ซิลิคอนมักจะอยู่ที่ 125-150 องศา และสำหรับไดโอดซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) อุณหภูมิดังกล่าวอาจสูงถึง 175 องศา
ความต้านทานความร้อน (Rth): พารามิเตอร์ที่อธิบายประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน แบ่งออกเป็นความต้านทานความร้อนในสถานะคงที่- (RthJC, RthCH, RthHA) และความต้านทานความร้อนชั่วคราว (ZthJC, ZthCA) ตัวอย่างเช่น RthJC ของโมดูล IGBT FF400R12KE3G ของ Infineon คือ 0.15K/W ซึ่งบ่งชี้ว่าอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 1 องศา จะต้องกระจายพลังงาน 6.67 วัตต์
โหมดความล้มเหลวเนื่องจากความร้อนหลักของไดโอด ได้แก่:
การพังทลายของความร้อน: อุณหภูมิของหัวต่อเกินขีดจำกัดของวัสดุ ทำให้เกิดความเสียหายอย่างถาวรต่อหัวต่อ PN
ความล้าจากความร้อน: วัฏจักรความร้อนซ้ำๆ อาจทำให้เกิดการแตกร้าวของชั้นโลหะบัดกรี เช่น รอยแตกเมื่อยล้าที่จุดเชื่อมยูเทคติกที่อุณหภูมิตั้งแต่ -40 องศาถึง 125 องศา
การเบี่ยงเบนของพารามิเตอร์: อุณหภูมิสูงทำให้แรงดันการนำไฟฟ้าลดลง (Vf) และประจุการกู้คืนแบบย้อนกลับ (Qrr) เพิ่มขึ้น เช่น Vf ของไดโอด Schottky เพิ่มขึ้น 20% ที่ 150 องศา เทียบกับ 25 องศา
2 กระบวนการออกแบบยอดนิยม: การควบคุมวงปิด-ตั้งแต่การเลือกจนถึงการตรวจสอบ
1. เกณฑ์การเลือกอุปกรณ์
การเลือกใช้วัสดุ:
ซิลิคอน (Si): เหมาะสำหรับแรงดันปานกลางและต่ำ (<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 องศา ) สภาพแวดล้อม ตัวอย่างเช่น ไดโอด SiC Schottky ซีรีส์ C3D เพิ่มประสิทธิภาพขึ้น 4% ในการแปลง 48V/12V DC-DC
แกลเลียมไนไตรด์ (GaN): ความถี่สวิตชิ่งสามารถเข้าถึงระดับ MHz แต่ต้องใช้วงจรไดรเวอร์ที่ตรงกันและมีค่าใช้จ่ายสูง
แบบฟอร์มบรรจุภัณฑ์:
บรรจุภัณฑ์แบบยึดพื้นผิว (SMD): เช่นไดโอด SM4007 SMD พื้นที่กระจายความร้อนมีขนาดใหญ่กว่าบรรจุภัณฑ์ DO-41 ถึงสามเท่า ทำให้เหมาะสำหรับการจัดวางที่หนาแน่น
บรรจุภัณฑ์แบบโมดูลาร์: เช่น โมดูล PowerBLOCK ที่ผสานรวมชิปหลายตัวและซับสเตรตการกระจายความร้อน ช่วยลด RthJC ลง 50%
2. เค้าโครง PCB และการออกแบบการกระจายความร้อน
การออกแบบฟอยล์ทองแดง:
วงจรไฟฟ้าหลักใช้ฟอยล์ทองแดง-ในพื้นที่ขนาดใหญ่ และจุดผ่านความร้อนหลาย-ชั้น (Ø 0.3-0.5 มม., พิทช์ 1 มม.) จะถูกจัดเรียงไว้ใต้แผ่นบัดกรีเพื่อลดความต้านทานความร้อน
ตัวอย่าง: ในตัวแปลง DC 12kW DC- อุณหภูมิของแผ่นไดโอดลดลงจาก 105 องศาเป็น 78 องศาโดยการเพิ่มความหนาแน่นของจุดผ่านความร้อน
แยกความร้อนและโซนอิสระ:
รักษาระยะห่างมากกว่าหรือเท่ากับ 3 มม. จากส่วนประกอบที่ไวต่ออุณหภูมิ (เช่น ชิปควบคุม) และช่องสำหรับฉนวนหากจำเป็น
หลีกเลี่ยงการออกแบบคอขวดที่แคบเพื่อให้แน่ใจว่าจะกระจายความร้อนได้ทั่วถึง
3. การเลือกรูปแบบการกระจายความร้อน
ผลการลดความต้านทานความร้อนโดยทั่วไปและระดับต้นทุนของสถานการณ์ที่ใช้วิธีกระจายความร้อน
การพาความร้อนตามธรรมชาติพลังงานต่ำ (<100W) 20-50% low
กำลังระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับปานกลาง (100W-5kW) 50-70%
Water cooled high-power (>5kW) สูง 70-90%
ฮอตสปอตเฉพาะที่ (เช่น MOSFET/ไดโอด) ของท่อความร้อน/แผ่นปรับอุณหภูมิมีความสูงปานกลาง 60-80%
กรณี: สถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าบางแห่งใช้รูปแบบจาระบีซิลิโคนนำความร้อน-แผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำ + ซึ่งช่วยลดอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อของไดโอด SiC จาก 140 องศาเป็น 95 องศา และเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานเป็น 5kW/L
3, การจำลองความร้อนและการตรวจสอบการทดสอบ: ความเสี่ยงในการควบคุมเชิงปริมาณ
1. การจำลองการทำงานร่วมกันไฟฟ้าความร้อน
เครื่องมือ: SPICE (การคำนวณการสูญเสีย)+FloTHERM/CEPAK (การจำลองความร้อน)
กระบวนการทางเทคโนโลยี:
ป้อนรูปคลื่นการทำงาน (I2F (rms), I2F (avg), ค่าสูงสุด V_R, fs)
แยก Vf (@ ​​IF, Tj) และ Qrr (@ dI/dt, V_R) จากคู่มือข้อมูล
จำลองการกระจายอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อ ปรับเค้าโครงและรูปแบบการกระจายความร้อนให้เหมาะสม
ผลลัพธ์: อินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์บางตัวลดข้อผิดพลาดในการทำนายอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อไดโอดจาก ± 15 องศาเป็น ± 3 องศาผ่านการจำลอง
2. วิธีการทดสอบจริง
การทดสอบการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ:
ใช้เทอร์โมคัปเปิลใกล้กับด้านล่างของแผ่นบัดกรีและกล้องถ่ายภาพความร้อนอินฟราเรดเพื่อช่วยในการระบุตำแหน่งจุดร้อน
เพิ่มภาระเพื่อเพิ่มกำลังและบันทึกกราฟการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อ
การเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิสูง:
ทำงานที่โหลดเต็มเป็นเวลา 1,000 ชั่วโมงที่อุณหภูมิแวดล้อม 85 องศา และตรวจสอบการดริฟท์ Vf (ควรเป็น<5%).
การทดสอบวงจรความร้อน:
-วนอุณหภูมิจาก 40 องศาเป็น 125 องศาเป็นเวลา 1,000 ครั้ง และตรวจสอบความสมบูรณ์ของชั้นบัดกรีและบรรจุภัณฑ์
4 กรณีการใช้งานในอุตสาหกรรมและการปฏิบัติตามมาตรฐาน
1. สถานการณ์การใช้งานโดยทั่วไป
สถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า:
ใช้โมดูลไดโอด SiC MOSFET+SiC Schottky กระจายความร้อนด้วยน้ำ- ตรงตามข้อกำหนดของอุณหภูมิหัวต่อน้อยกว่าหรือเท่ากับ 125 องศาในมาตรฐาน IEC 61851-1
อินเวอร์เตอร์อุตสาหกรรม:
การใช้โมดูล IGBT FF400R12KE3G จับคู่กับแผงระบายความร้อนครีบรูปเข็ม ผ่านการทดสอบการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิมาตรฐาน UL 840
แหล่งจ่ายไฟของศูนย์ข้อมูล:
The 48V/12V DC-DC converter adopts GaN devices and temperature equalization plates, meeting the DOE 2025 energy efficiency standard (peak efficiency>96%).
2. การปฏิบัติตามมาตรฐานสากล
IEC 60747-1: ระบุอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อสูงสุดและช่วงอุณหภูมิในการเก็บรักษาของไดโอด (Tstg=150 องศา ขีดจำกัด 672 ชั่วโมง)
JEDEC JESD51: กำหนดวิธีการทดสอบความต้านทานความร้อน รวมถึงการทดสอบในสภาวะคงที่- (JESD51-1) และการทดสอบชั่วคราว (JESD51-14)
AEC-Q101: ไดโอดเกรดยานยนต์ต้องผ่านการทดสอบการหมุนเวียนของอุณหภูมิตั้งแต่ -40 องศา C ถึง 150 องศา C เพื่อให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือ 10 ปี