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数据表中的热阻值并不能说明热性能的全部情况

来源:www.camelsaust.com作者:发表时间:2021-01-04 09:06:57

         数据表是设计工程师了解电源模块整体性能的主要信息来源。特别是,在此博客中,乐橙lc8旗舰厅有兴趣了解其热性能。但是,数据表是很难理解的文档。它提供了各种各样的值和图表,但是经常缺少每个参数的详细背景说明。设计工程师必须了解用于确定数据手册值的特定测试设置。一方面,不同的供应商可能不会都使用相同的测试设置,因此很难比较这些值。另一方面,测试设置不能涵盖所有可能的应用程序或操作条件,并且值可以根据用户的特定应用程序而变化。

热阻值是从芯片结点到外壳或周围环境给出的吗?

在典型的电力电子应用中,热阻可分为从芯片结到散热器的热传导和从散热器到周围环境的热对流。

数据表中的热阻值无法说明问题-1 

电源模块的数据表应始终指示热阻值。但是,对于大多数带有和不带有底板的模块,由于模块制造商不能保证从连接点到环境的完整热路径的值,因此将根据结点到外壳的热阻(Rth,jc)。首先,他不知道最终用户如何将模块安装在散热器上,因此无法定义外壳到散热器过渡的热阻(Rth,ch)。其次,他不知道散热器的尺寸和几何形状。第三,他不知道将在何种条件下使用哪种冷却剂。因此,他无法指示散热器和环境之间的热对流值(Rth,ha)。然而,请注意,模块制造商应参考用于确定数据表中给出的热阻值的测试设置。如果数据表中没有此类参考,则可在应用笔记中找到此类信息。

数据表中的热阻值无法说明问题-2 

对于带有集成散热器的模块,这是不同的。在这种情况下,模块制造商可以指示特定冷却剂和特定测试条件下结点到环境的值。对于液冷模块,有关测试设置的最少信息应包括冷却剂的性质,冷却剂温度和体积流量。下图绘制了在标准测试布局上使用SiC芯片的仿真结果。它们清楚地表明,热阻取决于冷却液的性质和冷却液温度。

一般而言,结至外壳热阻最低的模块不会导致结至环境值的最低。此外,随着对流项的增加,传导项将减少。更好地将热量传递到周围环境会降低切屑下面的材料叠层中的散热效果。

数据表中的热阻值无法说明问题-3 

热阻取决于材料的固有特性和材料的几何形状

热阻以K / W表示,取决于功率模块中使用的材料的热导率(λ),每种材料的层厚度(d)和传热面积(A)。具有高导热率的材料薄层有利于实现低热阻。较大的面积意味着较低的电阻。但是,由于散热作用,芯片面积加倍不会导致热阻降低一半。

数据表中的热阻值无法说明问题-4 

设计工程师应始终检查数据表中给出了哪些区域的热阻值。这个值可以给一个芯片或一个开关。不幸的是,数据表可能无法表明测试所用的芯片面积是多少,一个开关使用了多少芯片。此外,每个开关的芯片面积和芯片数量可能会因一个模块而异。除非拆卸模块并进行某种反向工程,否则几乎不可能仅通过数据表来比较不同模块的热性能。

有时,例如在技术论文或文章中,单位K.m²/ W的热阻也会给出。这样,可以对不同模块中使用的材料进行理论上的比较,但这并不能告诉您很多有关实际应用中不同模块行为的信息。

模块性能与设计成本

电源模块旨在以最低的成本提供最高的电输出功率。对于在指定电压下运行的给定半导体技术,可以在更高的负载电流下获得更高的电输出功率。结果是废热增加。结果,芯片在更高的温度下运行,最终可能导致可靠性问题。

在一个开关中并行使用多个芯片有助于避免此类可靠性问题并获得所需的电输出功率。同样,芯片面积加倍不会导致输出功率增加50%。这可以通过诸如芯片之间的热耦合和有限的热扩散之类的效应来解释。相对于基板面积的总芯片面积和相对于其他芯片以及相对于基板边界的芯片位置是影响模块热性能的重要设计考虑因素。此外,并行使用多个芯片对成本有重大影响,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会更便宜。

数据表中的热阻值无法说明问题-5 

简而言之,您不仅需要数据手册,还需要更多信息,以便对应用中所选电源模块的热性能进行良好的评估。模块制造商向其客户和最终用户提供帮助(例如,以应用笔记的形式)。作为金属化陶瓷基板的制造商和开发合作伙伴,罗杰斯的电力电子解决方案专家也可以提供帮助。在选择适合您的应用的基板或冷却器时,您是否有任何设计问题或需要帮助?请联系乐橙lc8旗舰厅,如果您有任何疑问。