Các tiêu chuẩn thiết kế nhiệt cho điốt trong hệ thống chuyển đổi năng lượng điện là gì?

一, Nguyên tắc cơ bản của thiết kế nhiệt: Các thông số chính và cơ chế hư hỏng
Định nghĩa các thông số nhiệt lõi
Nhiệt độ điểm nối (Tvj): Nhiệt độ trung bình của điểm nối PN, là chỉ báo cốt lõi để đo trạng thái nhiệt của thiết bị. Theo "Thông số kỹ thuật SJ/T 2216-2015 dành cho điốt quang silicon", nhiệt độ tiếp giáp tối đa cho phép đối với điốt gốc silicon thường là 125-150 độ và đối với điốt silicon cacbua (SiC), nhiệt độ này có thể đạt tới 175 độ.
Điện trở nhiệt (Rth): thông số mô tả hiệu suất truyền nhiệt, được chia thành điện trở nhiệt ở trạng thái ổn định{0}} (RthJC, RthCH, RthHA) và điện trở nhiệt nhất thời (ZthJC, ZthCA). Ví dụ: RthJC của mô-đun IGBT Infineon FF400R12KE3G là 0,15K/W, cho thấy rằng cứ tăng nhiệt độ điểm nối lên 1 độ thì cần phải tiêu hao 6,67W điện năng.
Các chế độ hỏng nhiệt chính của điốt bao gồm:
Sự cố nhiệt: Nhiệt độ điểm nối vượt quá giới hạn vật liệu, gây hư hỏng vĩnh viễn cho điểm nối PN.
Mệt mỏi do nhiệt: Các chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại có thể gây ra nứt lớp hàn, chẳng hạn như vết nứt do mỏi ở các bề mặt hàn eutectic ở nhiệt độ từ -40 độ đến 125 độ.
Độ lệch tham số: Nhiệt độ cao làm tăng độ sụt điện áp dẫn (Vf) và điện tích phục hồi ngược (Qrr), ví dụ Vf của điốt Schottky tăng 20% ​​ở 150 độ so với 25 độ.
2, Quy trình thiết kế hấp dẫn: điều khiển vòng-đóng từ lựa chọn đến xác minh
1. Tiêu chí lựa chọn thiết bị
Lựa chọn vật liệu:
Silicon (Si): Thích hợp cho điện áp trung và hạ thế (<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 (>môi trường 150 độ). Ví dụ: đi-ốt SiC Schottky dòng C3D cải thiện hiệu suất thêm 4% khi chuyển đổi DC 48V/12V DC-.
Gallium Nitride (GaN): Tần số chuyển mạch có thể đạt tới mức MHz, nhưng nó đòi hỏi mạch điều khiển phù hợp và có chi phí cao.
Hình thức đóng gói:
Bao bì gắn trên bề mặt (SMD): chẳng hạn như diode SM4007 SMD, diện tích tản nhiệt lớn gấp ba lần so với bao bì DO-41, phù hợp với bố cục dày đặc.
Đóng gói mô-đun: chẳng hạn như mô-đun PowerBLOCK, tích hợp nhiều chip và đế tản nhiệt, giảm 50% RthJC.
2. Bố trí PCB và thiết kế tản nhiệt
Thiết kế lá đồng:
Mạch điện chính sử dụng lá đồng có diện tích lớn và các đường dẫn nhiệt nhiều lớp (Ø 0,3-0,5mm, bước 1mm) được bố trí bên dưới các miếng hàn để giảm khả năng cản nhiệt.
Ví dụ: Trong bộ chuyển đổi DC{1}}DC 12kW, nhiệt độ của tấm đi-ốt đã giảm từ 105 độ xuống 78 độ bằng cách tăng mật độ các đường dẫn nhiệt.
Cách ly nhiệt và vùng độc lập:
Duy trì khoảng cách Lớn hơn hoặc bằng 3 mm với các bộ phận nhạy cảm với nhiệt độ (chẳng hạn như chip điều khiển) và nếu cần, khe cách điện.
Tránh thiết kế cổ chai hẹp để đảm bảo khuếch tán nhiệt đều.
3. Lựa chọn phương án tản nhiệt
Hiệu quả giảm điện trở nhiệt điển hình và mức chi phí của phương pháp tản nhiệt các tình huống áp dụng
Đối lưu tự nhiên công suất thấp (<100W) 20-50% low
Công suất trung bình làm mát không khí cưỡng bức (100W-5kW) 50-70%
Water cooled high-power (>5kW) cao 70-90%
Các điểm nóng cục bộ (chẳng hạn như MOSFET/điốt) của ống dẫn nhiệt/tấm cân bằng nhiệt độ ở mức trung bình cao 60-80%
Trường hợp: Một trạm sạc xe điện nhất định sử dụng sơ đồ tấm làm mát bằng nước+mỡ silicon dẫn nhiệt, giúp giảm nhiệt độ tiếp giáp của điốt SiC từ 140 độ xuống 95 độ và tăng mật độ năng lượng lên 5kW/L.
3, Xác minh thử nghiệm và mô phỏng nhiệt: Định lượng rủi ro kiểm soát
1. Mô phỏng hợp tác nhiệt điện
Công cụ: SPICE (tính toán tổn thất)+FloTHERM/CEPAK (mô phỏng nhiệt).
quy trình công nghệ:
Nhập dạng sóng làm việc (I2F (rms), I2F (avg), giá trị đỉnh V_R, fs).
Trích xuất Vf (@ ​​IF, Tj) và Qrr (@ dI/dt, V_R) từ sổ tay dữ liệu.
Mô phỏng sự phân bố nhiệt độ ở điểm nối, tối ưu hóa bố cục và sơ đồ tản nhiệt.
Kết quả: Một bộ biến tần quang điện nhất định đã giảm sai số dự đoán nhiệt độ tiếp giáp diode từ ± 15 độ xuống ± 3 độ thông qua mô phỏng.
2. Phương pháp thử nghiệm thực tế
Kiểm tra độ tăng nhiệt độ:
Sử dụng cặp nhiệt điện gần đáy miếng hàn và thiết bị chụp ảnh nhiệt hồng ngoại để hỗ trợ xác định vị trí điểm nóng.
Tăng tải để tăng công suất và ghi lại đường cong thay đổi nhiệt độ mối nối.
Lão hóa ở nhiệt độ cao:
Chạy ở mức đầy tải trong 1000 giờ ở nhiệt độ môi trường xung quanh là 85 độ và theo dõi độ lệch Vf (nên<5%).
Kiểm tra chu trình nhiệt:
-Đảo vòng nhiệt độ từ 40 độ đến 125 độ trong 1000 lần và kiểm tra tính toàn vẹn của lớp hàn và bao bì.
4, Các trường hợp ứng dụng trong ngành và tuân thủ tiêu chuẩn
1. Các kịch bản ứng dụng điển hình
Trạm sạc xe điện:
Sử dụng mô-đun đi-ốt SiC MOSFET+SiC Schottky, tản nhiệt làm mát bằng nước, đáp ứng yêu cầu về nhiệt độ điểm nối Nhỏ hơn hoặc bằng 125 độ theo tiêu chuẩn IEC 61851-1.
Biến tần công nghiệp:
Sử dụng mô-đun IGBT FF400R12KE3G, kết hợp với tản nhiệt hình kim, đã vượt qua bài kiểm tra độ tăng nhiệt độ tiêu chuẩn UL 840.
Cung cấp năng lượng cho trung tâm dữ liệu:
The 48V/12V DC-DC converter adopts GaN devices and temperature equalization plates, meeting the DOE 2025 energy efficiency standard (peak efficiency>96%).
2. Tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế
IEC 60747-1: chỉ định nhiệt độ tiếp giáp tối đa và phạm vi nhiệt độ bảo quản của điốt (Tstg=150 độ, giới hạn 672 giờ).
JEDEC JESD51: Xác định các phương pháp kiểm tra khả năng chịu nhiệt, bao gồm kiểm tra trạng thái ổn định{1}}(JESD51-1) và nhất thời (JESD51-14).
AEC-Q101: Điốt cấp ô tô phải trải qua quá trình kiểm tra chu trình nhiệt độ từ -40 độ C đến 150 độ C để đảm bảo độ tin cậy trong 10 năm.