विद्युत ऊर्जा रूपांतरण प्रणालियों में डायोड के लिए थर्मल डिज़ाइन मानक क्या हैं?

दूसरा, थर्मल डिज़ाइन के मूल सिद्धांत: मुख्य पैरामीटर और विफलता तंत्र
कोर थर्मल पैरामीटर्स की परिभाषा
जंक्शन तापमान (टीवीजे): पीएन जंक्शन का औसत तापमान, जो किसी उपकरण की थर्मल स्थिति को मापने के लिए एक मुख्य संकेतक है। "एसजे/टी 2216-2015 सिलिकॉन फोटोडायोड के लिए तकनीकी विशिष्टता" के अनुसार, सिलिकॉन-आधारित डायोड के लिए अधिकतम स्वीकार्य जंक्शन तापमान आमतौर पर 125-150 डिग्री है, और सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) डायोड के लिए यह 175 डिग्री तक पहुंच सकता है।
थर्मल प्रतिरोध (Rth): एक पैरामीटर जो गर्मी हस्तांतरण की दक्षता का वर्णन करता है, स्थिर -स्टेट थर्मल प्रतिरोध (RthJC, RthCH, RthHA) और क्षणिक थर्मल प्रतिरोध (ZthJC, ZthCA) में विभाजित है। उदाहरण के लिए, Infineon FF400R12KE3G IGBT मॉड्यूल का RthJC 0.15K/W है, जो दर्शाता है कि जंक्शन तापमान में प्रत्येक 1 डिग्री की वृद्धि के लिए, 6.67W बिजली को नष्ट करने की आवश्यकता है।
डायोड के मुख्य थर्मल विफलता मोड में शामिल हैं:
थर्मल ब्रेकडाउन: जंक्शन का तापमान सामग्री सीमा से अधिक हो जाता है, जिससे पीएन जंक्शन को स्थायी क्षति होती है।
थर्मल थकान: बार-बार थर्मल चक्र के कारण सोल्डर परत में दरार पड़ सकती है, जैसे -40 डिग्री से 125 डिग्री तक के तापमान पर यूटेक्टिक वेल्डिंग इंटरफेस पर थकान दरारें।
पैरामीटर बहाव: उच्च तापमान के कारण चालन वोल्टेज ड्रॉप (वीएफ) और रिवर्स रिकवरी चार्ज (क्यूआरआर) में वृद्धि होती है, उदाहरण के लिए, शोट्की डायोड का वीएफ 25 डिग्री की तुलना में 150 डिग्री पर 20% बढ़ जाता है।
2, हॉट डिज़ाइन प्रक्रिया: चयन से सत्यापन तक बंद - लूप नियंत्रण
1. डिवाइस चयन मानदंड
सामग्री चयन:
सिलिकॉन (Si): मध्यम और निम्न वोल्टेज के लिए उपयुक्त (<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 डिग्री ) वातावरण। उदाहरण के लिए, C3D श्रृंखला SiC शोट्की डायोड 48V/12V DC-DC रूपांतरण में दक्षता में 4% सुधार करता है।
गैलियम नाइट्राइड (GaN): स्विचिंग आवृत्ति मेगाहर्ट्ज स्तर तक पहुंच सकती है, लेकिन इसके लिए एक मिलान ड्राइवर सर्किट की आवश्यकता होती है और इसकी लागत अधिक होती है।
पैकेजिंग फॉर्म:
सरफेस माउंट पैकेजिंग (एसएमडी): जैसे कि एसएम4007 एसएमडी डायोड, गर्मी अपव्यय क्षेत्र डीओ-41 पैकेजिंग से तीन गुना बड़ा है, जो इसे घने लेआउट के लिए उपयुक्त बनाता है।
मॉड्यूलर पैकेजिंग: जैसे पावरब्लॉक मॉड्यूल, कई चिप्स और गर्मी अपव्यय सब्सट्रेट को एकीकृत करके, आरटीएचजेसी को 50% तक कम करता है।
2. पीसीबी लेआउट और गर्मी अपव्यय डिजाइन
तांबे की पन्नी डिजाइन:
मुख्य पावर सर्किट बड़े {{0}क्षेत्र वाले तांबे के फ़ॉइल को अपनाता है, और थर्मल प्रतिरोध को कम करने के लिए सोल्डर पैड के नीचे बहु {{1}परत थर्मल विअस (Ø 0.3-0.5 मिमी, पिच 1 मिमी) की व्यवस्था की जाती है।
उदाहरण: 12kW DC-DC कनवर्टर में, थर्मल विअस के घनत्व को बढ़ाकर डायोड पैड तापमान को 105 डिग्री से घटाकर 78 डिग्री कर दिया गया था।
थर्मल अलगाव और स्वतंत्र क्षेत्र:
तापमान संवेदनशील घटकों (जैसे नियंत्रण चिप्स) से 3 मिमी से अधिक या उसके बराबर की दूरी बनाए रखें, और यदि आवश्यक हो, तो इन्सुलेशन के लिए स्लॉट बनाए रखें।
गर्मी के समान प्रसार को सुनिश्चित करने के लिए संकीर्ण गर्दन वाले बॉटलनेक डिज़ाइन से बचें।
3. ताप अपव्यय योजना का चयन
विशिष्ट तापीय प्रतिरोध कटौती प्रभाव और ताप अपव्यय विधि का लागत स्तर लागू परिदृश्य
प्राकृतिक संवहन कम शक्ति (<100W) 20-50% low
फोर्स्ड एयर कूलिंग मीडियम पावर (100W-5kW) 50-70%
Water cooled high-power (>5 किलोवाट) 70-90% ऊँचा
हीट पाइप/तापमान समकारी प्लेटों के स्थानीय हॉटस्पॉट (जैसे MOSFETs/डायोड) 60-80% मध्यम ऊंचे हैं
मामला: एक निश्चित इलेक्ट्रिक वाहन चार्जिंग स्टेशन एक वाटर {{0} कूल्ड प्लेट + थर्मल कंडक्टिव सिलिकॉन ग्रीस स्कीम को अपनाता है, जो SiC डायोड के जंक्शन तापमान को 140 डिग्री से घटाकर 95 डिग्री कर देता है और पावर घनत्व को 5 किलोवाट/एल तक बढ़ा देता है।
3, थर्मल सिमुलेशन और परीक्षण सत्यापन: नियंत्रण जोखिमों की मात्रा निर्धारित करना
1. थर्मल इलेक्ट्रिक सहयोगी सिमुलेशन
उपकरण: स्पाइस (हानि गणना)+फ्लोथर्म/सीईपीएके (थर्मल सिमुलेशन)।
तकनीकी प्रक्रिया:
कार्यशील तरंगरूप (I2F (rms), I2F (avg), शिखर मान V_R, fs) इनपुट करें।
डेटा मैनुअल से Vf (@IF, Tj) और Qrr (@dI/dt, V_R) निकालें।
जंक्शन तापमान वितरण का अनुकरण करें, लेआउट और गर्मी अपव्यय योजना को अनुकूलित करें।
परिणाम: एक निश्चित फोटोवोल्टिक इन्वर्टर ने सिमुलेशन के माध्यम से डायोड जंक्शन तापमान की भविष्यवाणी त्रुटि को ± 15 डिग्री से घटाकर ± 3 डिग्री कर दिया।
2. वास्तविक परीक्षण विधियाँ
तापमान वृद्धि परीक्षण:
हॉट स्पॉट का पता लगाने में सहायता के लिए सोल्डर पैड के नीचे एक थर्मोकपल और एक इन्फ्रारेड थर्मल इमेजर का उपयोग करें।
शक्ति बढ़ाने और जंक्शन तापमान परिवर्तन वक्र को रिकॉर्ड करने के लिए लोड बढ़ाएं।
उच्च तापमान उम्र बढ़ने:
85 डिग्री के परिवेश तापमान पर 1000 घंटे तक पूर्ण लोड पर चलाएं, और वीएफ बहाव की निगरानी करें (होना चाहिए)<5%).
थर्मल चक्र परीक्षण:
-तापमान को 1000 बार 40 डिग्री से 125 डिग्री तक चक्रित करें और सोल्डर परत और पैकेजिंग की अखंडता की जांच करें।
4, उद्योग अनुप्रयोग मामले और मानक अनुपालन
1. विशिष्ट अनुप्रयोग परिदृश्य
इलेक्ट्रिक वाहन चार्जिंग स्टेशन:
SiC MOSFET+SiC शोट्की डायोड मॉड्यूल को अपनाना, पानी को ठंडा करना, IEC 61851-1 मानक में 125 डिग्री से कम या उसके बराबर जंक्शन तापमान की आवश्यकता को पूरा करना।
औद्योगिक इन्वर्टर:
FF400R12KE3G IGBT मॉड्यूल का उपयोग करते हुए, सुई के आकार के फिन हीट सिंक के साथ जोड़ा गया, UL 840 मानक तापमान वृद्धि परीक्षण पास किया गया।
डाटा सेंटर बिजली की आपूर्ति:
The 48V/12V DC-DC converter adopts GaN devices and temperature equalization plates, meeting the DOE 2025 energy efficiency standard (peak efficiency>96%).
2. अंतरराष्ट्रीय मानकों का अनुपालन
आईईसी 60747-1: डायोड के अधिकतम जंक्शन तापमान और भंडारण तापमान सीमा (टीएसटीजी=150 डिग्री, 672 घंटे की सीमा) निर्दिष्ट करता है।
जेईडीईसी जेईएसडी51: थर्मल प्रतिरोध परीक्षण विधियों को परिभाषित करें, जिसमें स्थिर -स्थिति (जेईएसडी51-1) और क्षणिक (जेईएसडी51-14) परीक्षण शामिल हैं।
एईसी-Q101: ऑटोमोटिव ग्रेड डायोड को 10 साल की विश्वसनीयता सुनिश्चित करने के लिए -40 डिग्री सेल्सियस से 150 डिग्री सेल्सियस तक तापमान साइकलिंग परीक्षण से गुजरना होगा।