本文分析了表面貼裝 (SMD) 封裝中的硅 MOSFET在熱性能方面與底部冷卻封裝相比在熱性能方面的效率，從而降低了熱阻和工作溫度。它將展示如何降低結(jié)溫有助于提高功率效率，因?yàn)橹饕?MOSFET 參數(shù)會(huì)因溫度變化(如 RDS (on)和 Vth 電平)而發(fā)生更平滑的變化，以及降低總導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗。

介紹

電力轉(zhuǎn)換產(chǎn)品市場(chǎng)正在迅速現(xiàn)代化，以應(yīng)對(duì)電力生產(chǎn)和管理方式的變化。此外，由于電力不斷增加，需要滿足具有不同特性和要求的巨大且快速擴(kuò)展的各種負(fù)載。這種現(xiàn)代化正在推動(dòng)所有階段的功率轉(zhuǎn)換器重新設(shè)計(jì)，以滿足提高功率密度和功率效率、更好的熱管理以及減小重量和尺寸的需求。在某些情況下，轉(zhuǎn)換器需要實(shí)現(xiàn)雙向性。

DC/DC轉(zhuǎn)換器概述

電源轉(zhuǎn)換器的 DC/DC 級(jí)是電源的關(guān)鍵部分。該級(jí)將輸入恒定電壓轉(zhuǎn)換為受控直流輸出電壓，該電壓可以高于或低于輸入，具體取決于轉(zhuǎn)換器是降壓轉(zhuǎn)換器還是升壓轉(zhuǎn)換器。DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以是單向的，具有固定的輸入和輸出級(jí)，也可以是雙向的，具有可互換的輸入和輸出。

這些不同的拓?fù)渚哂幸粋€(gè)共同的特點(diǎn)：它們都在開(kāi)啟時(shí)以零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 運(yùn)行，以降低開(kāi)關(guān)損耗。

底部和頂部冷卻 SMD 封裝

MOSFET 和IGBT等功率器件，包括普通硅以及寬帶隙碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 器件，采用封裝設(shè)計(jì)，旨在防止潮濕和外部污染，并確保電氣隔離。

與通孔相比，現(xiàn)在的市場(chǎng)趨勢(shì)是表面貼裝 (SMD) 封裝樣式，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S：

· 更緊湊的解決方案，安裝高度更低

· 良好的散熱性能

· 增加功率密度

表面貼裝封裝可分為：

· 底部冷卻封裝，例如 D 2 PAK 和 TO-LL，旨在通過(guò)底部引線框架消散硅芯片產(chǎn)生的熱量。這些封裝使用 PCB 作為散熱器并連接到板上的銅芯和/或通孔。

· 頂部冷卻封裝(例如 HU3PAK)通過(guò)頂部引線框架消散硅芯片產(chǎn)生的熱量，再加上放置在封裝頂部的特定散熱器。

該評(píng)估比較了 HU3PAK 頂部冷卻封裝與 D 2 PAK 和 TO-LL 底部冷卻封裝在相同工作和熱系統(tǒng)條件下的熱性能。

功率損耗分析

本節(jié)介紹等式 [1-4] 和初步功率損耗。這些功率損耗為 SMD 封裝的熱建模和分析提供了輸入數(shù)據(jù)。測(cè)試車(chē)輛是一個(gè) 3kW 全橋 LLC 轉(zhuǎn)換器。從等式 1、2、3 和 4 [1] 開(kāi)始，初級(jí) MOSFET 損耗在五個(gè)負(fù)載點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估：最大功率 (3kW) 的 10%、20%、50%、75% 和 100%。開(kāi)關(guān)損耗、驅(qū)動(dòng)器損耗和二極管損耗是相同的，因?yàn)楣β蕮p耗模型是在諧振頻率下計(jì)算它們的。

功率損耗的第一次分析有助于根據(jù)結(jié)溫 (Tj) 找出硅的工作點(diǎn)。D 2 PAK、TO-LL 和 HU3PAK 三種不同封裝內(nèi)的器件是相同的。該器件在 25°C 時(shí)的 RDS (on)等于 80 mΩ。

在下一段中，由于封裝的結(jié)到環(huán)境熱阻 (RthJA )值不同，熱分析將找出所有三種封裝的不同結(jié)溫。

因此，不同的結(jié)溫會(huì)影響 RDS (on)和柵極閾值電壓 (VGSth)。

Tj 對(duì) RDS (on)的影響比對(duì) VGSth 的影響大得多。因此，僅根據(jù) Tj 值和不同的 RDS (on)值計(jì)算傳導(dǎo)損耗。

HU3PAK 的結(jié)果證實(shí)，當(dāng)以與其他封裝相同的功率水平運(yùn)行時(shí)，這種頂部冷卻封裝可保持較低的結(jié)溫。因此，它消耗的功率更少，從而提高了整體功率效率(因?yàn)? RDS (on)在較高的結(jié)溫下會(huì)升高。因此，確保較低 Tj 的熱效率更高的封裝有助于最大限度地減少功率損耗)。

熱模擬和分析

本節(jié)重點(diǎn)介紹為驗(yàn)證頂部冷卻解決方案而執(zhí)行的熱仿真。使用數(shù)值有限元方法進(jìn)行了模擬。這種方法可以評(píng)估通過(guò)熱界面材料 (TIM) 連接到印刷電路板 (PCB) 的功率 MOSFET 的熱行為。如上一節(jié)所示，模擬中使用的功率損耗來(lái)自實(shí)際工作條件(輕載和滿載的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器)。

已經(jīng)完成了一個(gè)模擬基準(zhǔn)測(cè)試，考慮了三種封裝解決方案：D 2 PAK 和 TO-LL 作為底部冷卻，HU3PAK 作為頂部之一。本摘要中顯示的第一次評(píng)估是在穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行的。相同的散熱器用于模擬，放置在 PCB 熱通孔的底部，用于 D 2 PAK 和 TO-LL，并在 HU3PAK 的實(shí)驗(yàn)中直接放置在頂部暴露的銅框架上。

此外，具有熱通孔、TIM 和邊界條件(Tamb=25 °C，熱傳導(dǎo)系數(shù) (Htc) = 750 W/m 2 K 在散熱器表面)的相同 2 層 PCB(2 盎司銅)應(yīng)用于所有物理模型。

顯示了第一次模擬的結(jié)果，以預(yù)測(cè)三個(gè)設(shè)備在 10%、20%、50%、75% 和 100% 滿載時(shí)的 Tjmax。表 5 中顯示的結(jié)果證實(shí)了 TO-LL 和 D 2 PAK 的類(lèi)似行為，而 HU3PAK 的溫度較低。滿載時(shí)溫差更明顯。

每個(gè)負(fù)載百分比的溫度比較結(jié)果表明，D 2 PAK 和 TO-LL 具有等效的熱行為，而 HU3PAK 在相同的負(fù)載點(diǎn)達(dá)到較低的溫度。

正如預(yù)期的那樣，HU3PAK 更好的熱性能主要?dú)w功于頂部冷卻。卓越的熱性能在滿載時(shí)最為明顯。

最后，為每個(gè)包提取 Rth j-amb，這證實(shí)了 HU3PAK 的性能優(yōu)于其他兩個(gè)包。

模型驗(yàn)證

最后一步通過(guò)比較仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果 [2] 來(lái)驗(yàn)證模型。

顯示的設(shè)備是 TO-LL。它安裝在與上一段中進(jìn)行的模擬相同的 PCB 上，關(guān)于邊界條件，考慮了 PCB 下側(cè)的絕熱行為和封裝和 PCB 上表面的傳熱系數(shù) (Htc) 為 11 W/m 2 K。

該模型以小于 1.5% 的誤差幅度得到驗(yàn)證，這表明模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量之間的一致性很好。

結(jié)論

HU3PAK 封裝具有頂部冷卻能力，與其他 SMD 封裝(如 D 2 PAK 和 TO-LL)相比，具有許多優(yōu)勢(shì)。當(dāng)與相同的散熱器尺寸和 PCB 熱特性(銅重量)一起使用時(shí)，由于其增加的散熱能力，它允許更大的功率密度。

與 D 2 PAK 和 TO-LL中使用的更常見(jiàn)的底部冷卻方法相比，HU3PAK 將 Rth j-amb降低了高達(dá) 18% 。

還要記住，對(duì)于所考慮的所有三個(gè)封裝，模擬都是使用相同的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行的。但是，通過(guò)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，可以進(jìn)一步提高 HU3PAK 的熱性能。