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    數據表中的熱阻值并不能說明熱性能的全部情況

    來源:www.jz82524.com作者:發表時間:2021-01-04 09:06:57

             數據表是設計工程師了解電源模塊整體性能的主要信息來源。特別是,在此博客中,我們有興趣了解其熱性能。但是,數據表是很難理解的文檔。它提供了各種各樣的值和圖表,但是經常缺少每個參數的詳細背景說明。設計工程師必須了解用于確定數據手冊值的特定測試設置。一方面,不同的供應商可能不會都使用相同的測試設置,因此很難比較這些值。另一方面,測試設置不能涵蓋所有可能的應用程序或操作條件,并且值可以根據用戶的特定應用程序而變化。

    熱阻值是從芯片結點到外殼或周圍環境給出的嗎?

    在典型的電力電子應用中,熱阻可分為從芯片結到散熱器的熱傳導和從散熱器到周圍環境的熱對流。

    數據表中的熱阻值無法說明問題-1 

    電源模塊的數據表應始終指示熱阻值。但是,對于大多數帶有和不帶有底板的模塊,由于模塊制造商不能保證從連接點到環境的完整熱路徑的值,因此將根據結點到外殼的熱阻(Rth,jc)。首先,他不知道最終用戶如何將模塊安裝在散熱器上,因此無法定義外殼到散熱器過渡的熱阻(Rth,ch)。其次,他不知道散熱器的尺寸和幾何形狀。第三,他不知道將在何種條件下使用哪種冷卻劑。因此,他無法指示散熱器和環境之間的熱對流值(Rth,ha)。然而,請注意,模塊制造商應參考用于確定數據表中給出的熱阻值的測試設置。如果數據表中沒有此類參考,則可在應用筆記中找到此類信息。

    數據表中的熱阻值無法說明問題-2 

    對于帶有集成散熱器的模塊,這是不同的。在這種情況下,模塊制造商可以指示特定冷卻劑和特定測試條件下結點到環境的值。對于液冷模塊,有關測試設置的最少信息應包括冷卻劑的性質,冷卻劑溫度和體積流量。下圖繪制了在標準測試布局上使用SiC芯片的仿真結果。它們清楚地表明,熱阻取決于冷卻液的性質和冷卻液溫度。

    一般而言,結至外殼熱阻最低的模塊不會導致結至環境值的最低。此外,隨著對流項的增加,傳導項將減少。更好地將熱量傳遞到周圍環境會降低切屑下面的材料疊層中的散熱效果。

    數據表中的熱阻值無法說明問題-3 

    熱阻取決于材料的固有特性和材料的幾何形狀

    熱阻以K / W表示,取決于功率模塊中使用的材料的熱導率(λ),每種材料的層厚度(d)和傳熱面積(A)。具有高導熱率的材料薄層有利于實現低熱阻。較大的面積意味著較低的電阻。但是,由于散熱作用,芯片面積加倍不會導致熱阻降低一半。

    數據表中的熱阻值無法說明問題-4 

    設計工程師應始終檢查數據表中給出了哪些區域的熱阻值。這個值可以給一個芯片或一個開關。不幸的是,數據表可能無法表明測試所用的芯片面積是多少,一個開關使用了多少芯片。此外,每個開關的芯片面積和芯片數量可能會因一個模塊而異。除非拆卸模塊并進行某種反向工程,否則幾乎不可能僅通過數據表來比較不同模塊的熱性能。

    有時,例如在技術論文或文章中,單位K.m²/ W的熱阻也會給出。這樣,可以對不同模塊中使用的材料進行理論上的比較,但這并不能告訴您很多有關實際應用中不同模塊行為的信息。

    模塊性能與設計成本

    電源模塊旨在以最低的成本提供最高的電輸出功率。對于在指定電壓下運行的給定半導體技術,可以在更高的負載電流下獲得更高的電輸出功率。結果是廢熱增加。結果,芯片在更高的溫度下運行,最終可能導致可靠性問題。

    在一個開關中并行使用多個芯片有助于避免此類可靠性問題并獲得所需的電輸出功率。同樣,芯片面積加倍不會導致輸出功率增加50%。這可以通過諸如芯片之間的熱耦合和有限的熱擴散之類的效應來解釋。相對于基板面積的總芯片面積和相對于其他芯片以及相對于基板邊界的芯片位置是影響模塊熱性能的重要設計考慮因素。此外,并行使用多個芯片對成本有重大影響,并且使用更大的基板或具有更薄,更高性能的材料的基板可能會更便宜。

    數據表中的熱阻值無法說明問題-5 

    簡而言之,您不僅需要數據手冊,還需要更多信息,以便對應用中所選電源模塊的熱性能進行良好的評估。模塊制造商向其客戶和最終用戶提供幫助(例如,以應用筆記的形式)。作為金屬化陶瓷基板的制造商和開發合作伙伴,羅杰斯的電力電子解決方案專家也可以提供幫助。在選擇適合您的應用的基板或冷卻器時,您是否有任何設計問題或需要幫助?請聯系我們,如果您有任何疑問。

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