Quali sono gli standard di progettazione termica per i diodi nei sistemi di conversione dell'energia elettrica?

一, Fondamenti di progettazione termica: parametri chiave e meccanismi di guasto
Definizione dei parametri termici fondamentali
Temperatura di giunzione (Tvj): la temperatura media di una giunzione PN, che è un indicatore fondamentale per misurare lo stato termico di un dispositivo. Secondo le "Specifiche tecniche SJ/T 2216-2015 per i fotodiodi al silicio", la temperatura di giunzione massima consentita per i diodi a base di silicio è solitamente di 125-150 gradi e per i diodi al carburo di silicio (SiC) può raggiungere 175 gradi.
Resistenza termica (Rth): un parametro che descrive l'efficienza del trasferimento di calore, suddiviso in resistenza termica allo stato stazionario- (RthJC, RthCH, RthHA) e resistenza termica transitoria (ZthJC, ZthCA). Ad esempio, il RthJC del modulo IGBT Infineon FF400R12KE3G è 0,15 K/W, indicando che per ogni aumento di 1 grado della temperatura di giunzione, è necessario dissipare 6,67 W di potenza.
Le principali modalità di guasto termico dei diodi includono:
Rottura termica: la temperatura della giunzione supera il limite del materiale, causando danni permanenti alla giunzione PN.
Fatica termica: cicli termici ripetuti possono causare fessurazioni dello strato di saldatura, come crepe da fatica sulle interfacce di saldatura eutettica a temperature comprese tra -40 gradi e 125 gradi.
Deriva dei parametri: l'alta temperatura provoca un aumento della caduta di tensione di conduzione (Vf) e della carica di recupero inverso (Qrr), ad esempio la Vf dei diodi Schottky aumenta del 20% a 150 gradi rispetto a 25 gradi.
2, Processo di progettazione a caldo: controllo-a ciclo chiuso dalla selezione alla verifica
1. Criteri di selezione del dispositivo
Selezione del materiale:
Silicio (Si): Adatto per media e bassa tensione (<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 gradi) ambienti. Ad esempio, il diodo Schottky SiC della serie C3D migliora l'efficienza del 4% nella conversione 48 V/12 V CC-CC.
Nitruro di gallio (GaN): la frequenza di commutazione può raggiungere il livello di MHz, ma richiede un circuito driver corrispondente e ha un costo elevato.
Forma di imballaggio:
Confezione a montaggio superficiale (SMD): come il diodo SMD SM4007, l'area di dissipazione del calore è tre volte più grande rispetto alla confezione DO-41, rendendola adatta per layout densi.
Packaging modulare: come i moduli PowerBLOCK, che integrano più chip e substrati di dissipazione del calore, riducendo RthJC del 50%.
2. Layout PCB e progettazione della dissipazione del calore
Design in lamina di rame:
Il circuito di alimentazione principale adotta un foglio di rame di ampia-area e sotto i cuscinetti di saldatura sono disposti passaggi termici multi-strato (Ø 0,3-0,5 mm, passo 1 mm) per ridurre la resistenza termica.
Esempio: in un convertitore CC-CC da 12 kW, la temperatura del pad del diodo è stata ridotta da 105 gradi a 78 gradi aumentando la densità dei passaggi termici.
Isolamento termico e zona indipendente:
Mantenere una distanza maggiore o uguale a 3 mm dai componenti sensibili alla temperatura (come i chip di controllo) e, se necessario, dallo slot per l'isolamento.
Evitare il design a collo di bottiglia stretto per garantire una diffusione uniforme del calore.
3. Selezione dello schema di dissipazione del calore
Tipico effetto di riduzione della resistenza termica e livello di costo degli scenari applicabili al metodo di dissipazione del calore
Convezione naturale a bassa potenza (<100W) 20-50% low
Raffreddamento ad aria forzata potenza media (100W-5kW) 50-70%
Water cooled high-power (>5kW) 70-90% alta
I punti caldi locali (come MOSFET/diodi) dei tubi di calore/piastre di equalizzazione della temperatura sono per il 60-80% medio-alti
Caso: una determinata stazione di ricarica per veicoli elettrici adotta uno schema-piastra raffreddata ad acqua+grasso siliconico termoconduttivo, che riduce la temperatura di giunzione dei diodi SiC da 140 gradi a 95 gradi e aumenta la densità di potenza a 5kW/L.
3, Simulazione termica e verifica dei test: quantificazione dei rischi di controllo
1. Simulazione collaborativa termoelettrica
Strumenti: SPICE (calcolo delle perdite)+FloTHERM/CEPAK (simulazione termica).
processo tecnologico:
Immettere la forma d'onda di lavoro (I2F (rms), I2F (avg), valore di picco V_R, fs).
Estrarre Vf (@ ​​IF, Tj) e Qrr (@ dI/dt, V_R) dal manuale dei dati.
Simulare la distribuzione della temperatura di giunzione, ottimizzare il layout e lo schema di dissipazione del calore.
Risultato: un determinato inverter fotovoltaico ha ridotto l'errore di previsione della temperatura della giunzione del diodo da ± 15 gradi a ± 3 gradi attraverso la simulazione.
2. Metodi di prova effettivi
Test di aumento della temperatura:
Utilizzare una termocoppia vicino alla parte inferiore del pad di saldatura e una termocamera a infrarossi per facilitare l'individuazione del punto caldo.
Aumentare il carico per aumentare la potenza e registrare la curva di variazione della temperatura di giunzione.
Invecchiamento ad alta temperatura:
Funziona a pieno carico per 1000 ore a una temperatura ambiente di 85 gradi e monitora la deriva Vf (dovrebbe essere<5%).
Prova del ciclo termico:
-Fai un ciclo di temperatura da 40 gradi a 125 gradi per 1000 volte e controlla l'integrità dello strato di saldatura e della confezione.
4, Casi applicativi del settore e conformità agli standard
1. Scenari applicativi tipici
Stazione di ricarica per veicoli elettrici:
Adozione del modulo diodo SiC MOSFET+Schottky SiC, dissipazione del calore raffreddata ad acqua-, che soddisfa i requisiti di temperatura di giunzione inferiore o uguale a 125 gradi nello standard IEC 61851-1.
Invertitore industriale:
Utilizzando il modulo IGBT FF400R12KE3G, abbinato al dissipatore di calore ad aletta a forma di ago, ha superato il test di aumento della temperatura standard UL 840.
Alimentazione del data center:
The 48V/12V DC-DC converter adopts GaN devices and temperature equalization plates, meeting the DOE 2025 energy efficiency standard (peak efficiency>96%).
2. Conformità agli standard internazionali
IEC 60747-1: specifica la temperatura massima di giunzione e l'intervallo di temperatura di stoccaggio dei diodi (Tstg=150 gradi, limite di 672 ore).
JEDEC JESD51: definire metodi di test della resistenza termica, inclusi test in stato stazionario (JESD51-1) e transitori (JESD51-14).
AEC-Q101: i diodi di grado automobilistico devono essere sottoposti a test di cicli di temperatura da -40 gradi C a 150 gradi C per garantire un'affidabilità di 10 anni.