如何提高DC-DC转换器的效率

发布时间: 2023-04-23 09:43:33 电子资讯发布人: 久芯网浏览量: 87

与底侧冷却封装相比，我们研究了具有顶侧冷却的表面安装（SMD）封装中的硅MOSFET的热性能。本文分析了具有顶侧冷却的表面安装（SMD）封装中的硅MOSFET与底侧冷却封装相比在热性能方面的效率，降低了热阻和工作温度。它将展示降低结温度如...

与底侧冷却封装相比，我们研究了具有顶侧冷却的表面安装（SMD）封装中的硅MOSFET的热性能。

本文分析了具有顶侧冷却的表面安装（SMD）封装中的硅MOSFET与底侧冷却封装相比在热性能方面的效率，降低了热阻和工作温度。它将展示降低结温度如何有助于提高功率效率，这是由于温度变化（如RDS）导致主硅MOSFET参数的更平滑变化_（开）以及Vth电平，并且减少了总的导通和开关损耗。

介绍

电力转换产品市场正在迅速现代化，以应对电力生产和管理方式的变化。此外，由于电力正在增加，为各种具有不同特性和要求的巨大且快速扩展的负载供电。这种现代化正在推动功率转换器在各个阶段的重新设计，以满足提高功率密度和功率效率、更好的热管理以及减轻重量和尺寸的需求。在某些情况下，转换器需要实现双向性。

DC/DC转换器概述

功率转换器的DC/DC级是电源的关键部分。该级将输入恒定电压转换为受控的DC输出电压，该输出电压可以高于或低于输入，这取决于转换器是降压转换器还是升压转换器。DC/DC转换器可以是具有固定输入和输出级的单向转换器，也可以是具有可互换输入和输出的双向转换器。

图1和图2显示了半桥（HB）LLC谐振和全桥（FB）相移转换器最常见的单向拓扑结构。

HB LLC, unidirectional.

图1:HB有限责任公司，单向

full-bridge phase shift, unidirectional converter.

图2：全桥相移，单向转换器。

图3和图4显示了双向拓扑结构。

Dual active bridge, bidirectional converter.

图3：双有源桥，双向转换器。

CLLLC, bidirectional converter.

图4:CLLLC，双向转换器。

这些不同的拓扑结构有一个共同的特点：它们都在导通时使用零电压开关（ZVS）来降低开关损耗。

底侧和顶侧冷却SMD封装

MOSFET和IGBT等功率器件，包括普通硅以及宽带隙碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件，都封装在设计用于防止潮湿和外部污染以及确保电隔离的封装中。

与通孔相比，现在的市场趋势是表面安装（SMD）封装样式，因为它们允许：

表面贴装封装可分为：

该评估将HU3PAK顶侧冷却组件的热性能与D的热性能进行了比较^2.PAK和TO-LL底侧冷却包在相同的工作和热系统条件下。

D2PAK.

图5:D^2.巴基斯坦

TO-LL

图6:TO-LL

HU3PAK.

图7:HU3PAK

Package dimensions and occupation of area on PCB.

表1：PCB上的封装尺寸和占地面积。

功率损耗分析

本节介绍了方程[1-4]和初步功率损耗。这些功率损耗为SMD封装的热建模和分析提供了输入数据。测试车辆为3kW全桥LLC变流器。从方程1、2、3和4[1]开始，在五个负载点评估初级MOSFET损耗：最大功率（3kW）的10%、20%、50%、75%和100%。表2总结了损失情况。

MOSFET power losses at different load points

表2：不同负载点的MOSFET功率损耗

开关损耗、驱动器损耗和二极管损耗是相同的，因为功率损耗模型在谐振频率下计算它们。

功率损耗的第一次分析有助于找出硅在结温度（Tj）方面的工作点。三种不同包装内的设备，D^2.PAK、TO-LL和HU3PAK是相同的。设备具有RDS_（开）在25°C时等于80 mΩ。

在下一段中，热分析发现，由于结与环境热阻（RthJA₎包裹的数量。

因此，不同的结温会影响RDS_（开）以及栅极阈值电压（VGSth）。

RDS(on) behavior vs Tj. The curve represents the thermal multiplicative factor.

图8:RDS_（开）行为与Tj。该曲线表示热倍增因子。

VGSth behavior vs Tj.

图9:VGSth行为与Tj。

Tj对RDS的影响要大得多_（开）与VGSth相比。因此，仅根据Tj值和不同的RDS来计算传导损耗_（开）价值观表3报告了RDS的乘法系数_（开）三种不同的包装。

Thermal coefficient to consider the increase of RDS(on) vs Tj.

表3：考虑RDS增加的热系数_（开）与Tj相比。

Conduction losses for all three packages at different RDS(on) values.

表4：不同RDS下所有三个包的传导损耗_（开）价值观

HU3PAK的结果证实，当在与其他封装相同的功率水平下运行时，该顶侧冷却封装保持较低的结温度。因此，它消耗的功率较少，从而提高了整体功率效率（因为RDS_（开）在较高的结温下升高（参考图8）。因此，确保较低Tj的更具热效率的封装有助于最小化功率损耗）。

热模拟和分析

本节重点介绍为验证顶侧冷却解决方案而进行的热模拟。使用数值有限元方法进行了模拟。这种方法可以评估通过热界面材料（TIM）连接到印刷电路板（PCB）的功率MOSFET的热行为。模拟中使用的功率损耗来自实际操作条件（轻载和满载时的DC/DC转换器），如前一节所示。

已经进行了模拟基准测试，考虑了三种一揽子解决方案：D^2.PAK和TO-LL作为底侧冷却，HU3PAK作为顶侧冷却。本摘要所示的第一次评估是在稳定状态下进行的。模拟使用相同的散热器，放置在PCB的D热过孔的底部^2.PAK和TO-LL，并在HU3PAK上的实验中直接在顶部暴露的铜框架上。

此外，同样的2层PCB（2盎司铜），具有热过孔、TIM和边界条件（Tamb=25°C，传热系数（Htc）=750 W/m^2.散热器表面上的K）应用于所有物理模型。

Isometric and lateral view of TO-LL simulated geometry, PCB and heatsink on bottom side.

图8:TO-LL模拟几何结构、PCB和底部散热器的等距和横向视图。

Isometric and lateral view of D2PAK simulated geometry, PCB, and heatsink on bottom side.

图9：D的等距和横向视图^2.PAK模拟了底部的几何形状、PCB和散热片。

Isometric and lateral view of HU3PAK simulated geometry, PCB, and heatsink on top side.

图10：顶部HU3PAK模拟几何结构、PCB和散热器的等距和横向视图。

表5给出了第一次模拟的结果，以预测三个设备中每一个在10%、20%、50%、75%和100%满负荷时的Tjmax。结果如表5所示，证实了TO-LL和D的类似行为^2.PAK，HU3PAK的温度更低。满载时温差更明显。

$Tj max for each package at various fractions of full load (same power losses for each package).$

表5：在满载的不同分数下，每个封装的Tj max（每个封装的功率损耗相同）。

下一个实验对每个器件进行热模拟，考虑来自表4的更新的传导损耗。

图12显示了TO-LL、D全负荷时的模拟热图^2.PAK和HU3PAK。

Packages Tj max reached for each load percentage (different power losses for each package).

表6：每个负载百分比达到的封装Tj最大值（每个封装的不同功率损耗）。

Temperature comparison for each load percentage

图11:每个负载百分比的温度比较

TO-LL (a), D2PAK (b) and HU3PAK (c) thermal map at steady state.

图12:TO-LL（a），D^2.PAK（b）和HU3PAK（c）稳态热图。

结果表明，D^2.PAK和TO-LL具有等效的热行为，而HU3PAK在相同的负载点达到较低的温度。

正如预期的那样，HU3PAK更好的热性能主要是由于顶部侧冷却。优越的热性能在满负荷时最为明显。

最后，Rth_j-amb公司这证实了HU3PAK的性能优于其他两个包。

D2PAK, TO-LL and HU3PAK RthJA.

图13:D^2.PAK、TO-LL和HU3PAK RthJA。

模型验证

最后一步通过比较模拟和实验结果来验证模型[2]，如图15所示。

显示的设备是TO-LL。它安装在与上一段中进行的模拟中使用的PCB相同的PCB上，从而获得表7[2]中所示的结果。

关于边界条件，考虑了PCB下侧的绝热行为，传热系数（Htc）为11W/m^2.K在封装和PCB的顶侧表面上。

Measured and simulated values of Tj max for TO-LL package.

表7：TO-LL封装的Tj最大值的测量值和模拟值。

该模型得到了验证，误差幅度小于1.5%，这表明模拟和实验测量之间有很好的一致性。

Experiment setup for measurement.

图14:测量实验设置

Thermal simulation of TO-LL, performed for model validation.

图15：TO-LL的热模拟，用于模型验证。

结论

HU3PAK封装具有顶侧冷却功能，与D等其他SMD封装相比显示出许多优势^2.PAK和TO-LL。当与相同的散热器尺寸和PCB热特性（铜重量）一起使用时，由于其增加的散热能力，它允许更大的功率密度。

如图所示，HU3PAK降低了Rth_j-amb公司相对于D中使用的更常见的底侧冷却方法，最多可减少18%^2.PAK和TO-LL。

还要记住，模拟是在考虑的所有三个机组的相同冷却系统下进行的。然而，通过优化冷却系统，可以进一步提高HU3PAK的热性能。

工具书类

[1] D.Nardo，A.Scuto和S.Buonomo，“谐振LLC转换器中初级侧MOSFET损耗的评估”2021 PCIM欧洲数字日；国际电力电子、智能运动、可再生能源和能源管理展览会2021，第1-8页。

[2] G.毛罗米卡莱等.，“高压SMD封装冷却解决方案的建模和热分析”2021 PCIM欧洲数字日；国际电力电子、智能运动、可再生能源和能源管理展览会2021，第1-8页。

-Marco Papaserio、Domenico Nardo、Daniela Cavallaro、Cristiano Gianluca Stella和Stefano Orlando都在ST微电子公司工作。

>>这篇文章最初发表在我们的姐妹网站上，电力电子新闻.

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