Entwicklung von thermischen Designrichtlinien für Leistungs-MOSFETs in einem Gehäuse

MOSFETs sind in der Elektronik allgegenwärtig und ihre Leistung hat erheblichen Einfluss auf die thermischen Eigenschaften eines Designs. Die physische Bewertung dieser Auswirkung kann eine Herausforderung sein, sie kann jedoch mit Softwaretools von Unternehmen wie Ansys genau modelliert werden, um den Wärmefluss zu simulieren, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Aus Zeit- und Kostengründen ist es schwierig, Evaluierungsplatinen zu entwickeln, die alle möglichen thermischen Bedingungen abbilden. Gut konzipierte Simulationen bieten jedoch tiefe Einblicke in den Luftstrom und zusätzliche Kühlmöglichkeiten. Solche Modelle sind sehr anpassungsfähig, ermöglichen die Erforschung vieler verschiedener Erkrankungen und verursachen nicht die Kosten, die mit Evaluierungsplatinen verbunden sind.

In diesem Artikel wird die Simulationsmodellierung des thermischen Verhaltens von MOSFETs in einem geschlossenen Gehäuse erläutert. Wir werden die Auswirkungen von Folgendem untersuchen:

Die Ergebnisse der Simulationen werden vorgestellt, gefolgt von Entwurfsempfehlungen, die auf diesen Erkenntnissen basieren.

In diesem Artikel untersuchen wir zwei verschiedene Designmodelle, die aus unterschiedlichen Gehäuseabmessungen, Leiterplattenabmessungen und -aufbau sowie mit und ohne zusätzliche Komponenten bestehen.

Für die Simulation werden zwei Arten von Fahrwerksmodellen verwendet:

Die Leiterplatte für Modell 1 ist 100 × 180 × 1,6 mm groß und besteht aus vier Schichten. Die Leiterbahndicken der oberen, unteren und inneren Schicht betragen jeweils 35 μm.

Die Platine für Modell 2 ist 125 × 175 × 1,6 mm groß und vierlagig. Die Leiterbahndicken der oberen, unteren und inneren Schicht betragen bei diesem Modell 70, 70 bzw. 35 μm.

Beachten Sie, dass alle Leiterplatten aus FR4 bestehen und der Kupferanteil für die Leiterbahnen auf 80 % festgelegt ist. Auf den Platinen befindet sich keine Lötstoppschicht, und die Simulationseinstellungen umfassen nur den Emissionsgrad, um den Effekt dieser Schicht zu kompensieren. Darüber hinaus verfügen die Platinen nicht über Durchgangslöcher und thermische Vias.

Das Modell für die MOSFETs basiert auf dem TO-247-Gehäuse mit einer Chipgröße von 4 × 4 × 0,25 mm, einer Anschlussdicke von 0,6 mm und einer Form von 16 × 20 × 4,4 mm. Um die Analysezeit besser zu optimieren, werden MOSFETs aus drei Teilen – Form, Chip und Anschluss – modelliert, wobei die Bonddrähte und das Lot weggelassen werden. Das Ergebnis ist eine gute Annäherung an einen rechteckigen Körper.

Modell 2 umfasst außerdem IC-Geräte, Induktoren (Spulen und Transformatoren) und Elektrolytkondensatoren. Die Induktoren und IC-Geräte werden als Widerstand gegen den Luftstrom und nicht als wärmeerzeugende Geräte modelliert. Ein typisches Layout dieses Modells ist in Abbildung 3 dargestellt.

In der Simulation wird ein 40 × 40 mm großer Lüfter verwendet, der zur Darstellung verschiedene PQ-Kurven (Druck-Volumen-Kurven) einbezieht.

Das an der Gehäusewand befestigte Gitter kann entweder als Einlass oder Auslass konfiguriert werden, indem der Lüfter als Saug- oder Gebläseventilator verwendet wird. Beachten Sie, dass der Grill ein Öffnungsverhältnis von 1,0 hat.

Diese Simulation ist der einfachste Fall und verwendet Modell 1 mit einem einzelnen MOSFET (2 W Verlustleistung) als Wärmequelle. Als Ausgangspunkt für die verbleibenden Simulationen dient ein solides Verständnis des thermischen Verhaltens eines einzelnen MOSFET, der an verschiedenen Positionen im Gehäuse in Verbindung mit unterschiedlichen Lüfter- und Grillplatzierungen platziert ist.

Abbildung 4 zeigt die verschiedenen Kombinationen von MOSFET-, Grill- und Lüfterpositionen.

Die mit der Ansys-Software ermittelten Luftstromergebnisse sind in Abbildung 5 für die Geräteplatzierungen in A1, A2, A3, A4 und A5 dargestellt. Hier ist der Ventilator auf Position A und das Gitter auf Position C platziert.

Der thermische Widerstand des MOSFET für diese und alle übrigen Simulationen wird nach der folgenden Gleichung berechnet:

Wärmewiderstand = (durchschnittliche simulierte Chiptemperatur – Umgebungstemperatur) / Verlustleistung

Anhand der Ergebnisse für alle möglichen Kombinationen von Gerät, Grill und Lüfterplatzierung wird deutlich, dass die Positionierung eines MOSFET entlang des Pfades, der direkt vom Lüfter zum Grill führt, der effektivste Ansatz ist.

Als nächstes werden insgesamt 25 MOSFETs im Modell platziert und gleichzeitig eingeschaltet, wobei sich der Lüfter unten links (Lüfterposition A) bzw. der Grill in der oberen rechten Ecke (Grillposition C) von Modell 1 befindet.

Ähnlich wie bei der Einzel-MOSFET-Simulation wird die durchschnittliche MOSFET-Chiptemperatur gemessen, um den thermischen Widerstand des MOSFET zu berechnen. Eine Schlüsselvariable in dieser Simulation ist der Abstand zwischen den MOSFETs.

Wie erwartet zeigen die in den Abbildungen 6 (enger Abstand) und 7 (großer Abstand) gezeigten Ergebnisse, dass der Abstand wichtig ist, um die beste thermische Kontrolle zu erreichen. Bei größeren Abständen bewegte sich die Luft gleichmäßiger zwischen den MOSFETs, was dazu führte, dass der thermische Widerstand der MOSFETs abnahm, unabhängig davon, ob ein Sauggebläse (linke Seite jedes Bildes) oder ein Gebläsegebläse (rechte Seite jedes Bildes) verwendet wurde.

Sowohl bei eng als auch bei weit auseinander liegenden MOSFETs ist die Leistung des Sauggebläses schlechter als die des Gebläsegebläses.

Jetzt simulieren wir unter realistischeren Bedingungen, wie in Abbildung 8 dargestellt. Beachten Sie die Einbeziehung zusätzlicher ICs, Spulen, Induktivitäten und anderer Komponenten. Erkennen Sie auch die Platzierung des Ventilators und des Grills.

In dieser Reihe von Simulationen wurden die Lüfter- und Grillpositionen erneut variiert und der thermische Widerstand der MOSFETs berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Lüfterposition A mit Grillposition C lieferte die beste Gesamtwärmeleistung für beide Lüfterbetriebsmodi.

Mit Modell 2 wurde der Einfluss der Grillgröße mithilfe eines Sauggebläses untersucht. Die Analyse lieferte Daten, die die Gittergröße mit dem Wärmewiderstand von sechs MOSFETs in Beziehung setzen, die im Gehäusemodell platziert sind (siehe Abbildung 9 links). Die rechts in Abbildung 10 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass ein größeres Gitter den gesamten Raum innerhalb des Gehäuses effektiver kühlt .

Durch erzwungene Konvektion wird kühle Außenluft in das Gehäuse gezogen, während durch natürliche Konvektion eine Kühlung erreicht wird, indem die heiße Luft aus den Wärmequellen aufsteigt und kühle Luft angesaugt wird, um sie zu ersetzen. Beachten Sie, dass für die natürliche Konvektion eine Öffnung an der Oberseite anstelle eines Grills erforderlich ist. Natürliche Konvektion ist kostengünstiger zu implementieren, da kein Ventilator erforderlich ist. Allerdings ist es im Vergleich im Allgemeinen weniger effektiv.

Der Simulationsaufbau und die Platzierung der Komponenten sind in Abbildung 10 dargestellt, wobei das linke Bild die natürliche Konvektion und das rechte Bild die erzwungene Konvektion darstellt.

Abbildung 11 zeigt die Ergebnisse dieser Simulationen. Es ist offensichtlich, dass erzwungene Konvektion bei allen Leistungsstufen eine bessere Wärmeleistung bei niedrigeren Temperaturen bietet. Dies dient als Erinnerung daran, dass Lüfter trotz der damit verbundenen Kosten eine kluge Wahl für das thermische Design sind.

Die nächste Simulation konzentriert sich auf die Untersuchung der Ergebnisse der erzwungenen Konvektion im Verhältnis zur Breite des Fahrgestells. Abbildung 12 zeigt die beiden implementierten Layouts: eines mit einem breiten Gehäuse und das andere mit einem schmalen Gehäuse, das der Breite des Lüfters entspricht.

Es werden sowohl Blas- als auch Sauglüfter simuliert, deren Ergebnisse in Abbildung 13 zusammengefasst sind. Beim kleinen Gehäuse hat der Abstand zum Lüfter keinen so großen Einfluss wie beim größeren Gehäuse, wo der Luftstrom nicht so eingeschränkt ist.

Die Lüfterleistung hat einen Einfluss auf das thermische Design. Abbildung 14 zeigt ein Simulationslayout zur Bewertung der Auswirkung der Lüfterleistung – unter Verwendung von Lüftern mit hohem, mittlerem und niedrigem Q (Volumenluftstrom) – auf den Wärmewiderstand von vier MOSFETs.

Abbildung 15 fasst die Ergebnisse der Simulation zusammen. Wie erwartet erzielen Lüfter mit hohem Luftstrom einen geringeren Wärmewiderstand für alle vier Chips. Bei Gebläselüftern erfährt der MOSFET, der dem Lüfter am nächsten liegt, den geringsten thermischen Widerstand. Bei Saugventilatoren gilt das Gegenteil: Der MOSFET, der dem Gitter am nächsten liegt, weist den geringsten Wärmewiderstand auf. Dies macht intuitiv Sinn, da diese MOSFETs der einströmenden kühleren Luft am nächsten sind.

Ein weiterer gängiger Ansatz für das thermische Design von MOSFETs ist die Verwendung von MOSFET-Kühlkörpern, die durch die Bereitstellung einer größeren Oberfläche die Wärmeableitung beschleunigen. Es werden zwei verschiedene Kühlkörperausrichtungen verwendet: horizontal (mit Rippen in derselben Ebene wie die Leiterplatte) und vertikal. Die sechs bewerteten Modelle sind in Abbildung 16 dargestellt, wobei drei verschiedene Geräte- und Kühlkörperausrichtungen gekreuzt wurden, wobei entweder natürliche oder erzwungene Kühlmethoden zum Einsatz kamen.

Die Ergebnisse sind unten in Tabelle 2 aufgeführt. Sowohl bei natürlicher als auch bei forcierter Luftkühlung verringert der Kühlkörper den Wärmewiderstand.

Chassis-Kühlkörper sind ein weiterer gängiger Ansatz beim thermischen Design für Leistungselektronik. Da es schwierig sein kann, Kühlkörper an einzelnen MOSFETs anzubringen, wenn der Platz begrenzt ist, untersucht unsere abschließende Analyse die Auswirkungen der Verwendung des Gehäuses selbst als Kühlkörper.

In diesem Szenario wird ein thermisches Schnittstellenmaterial (TIM) zwischen dem Aluminiumgehäuse und dem MOSFET platziert, um für elektrische Isolierung zu sorgen. Die Konfiguration und drei Ansätze sind in Abbildung 17 dargestellt: kein Kühlkörper, Kühlkörper an allen vier am Rand platzierten MOSFETs und Gehäusekühlkörper für alle vier am Rand platzierten MOSFETs.

Abbildung 18 fasst die Ergebnisse zusammen. Die Verwendung eines Gehäuses als Kühlkörper ist äußerst effektiv, allerdings muss das Gehäusematerial berücksichtigt werden, um vergleichbare Ergebnisse zu erzielen.

Wenn wir alle oben beschriebenen Ergebnisse sammeln, können wir zu einigen allgemeinen Richtlinien für Systemdesigns gelangen, die MOSFETs verwenden:

Um die vollständigen Ergebnisse dieser Simulationen anzuzeigen, werfen Sie einen Blick auf die Anwendungsnotiz von Toshiba mit Hinweisen und Tipps zum thermischen Design für diskrete Halbleiterbauelemente, Teil 3. Toshiba ist sich der Herausforderung des thermischen Designs mit MOSFETs bewusst, insbesondere für das Verhalten innerhalb eines Gehäuses. Kontaktieren Sie uns noch heute, um mehr darüber zu erfahren, wie Toshiba Ihnen bei der Lösung thermischer Probleme in Ihren Designs helfen kann.

Alle Bilder mit freundlicher Genehmigung der Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

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