новости

Как выбрать радиатор для MOSFET и силовых полупроводников

Выбор радиатора для MOSFET и силовых полупроводников требует расчета теплового сопротивления, который уравновешивает температуру перехода, температуру окружающей среды и рассеиваемую мощность. Цель — поддерживать температуру перехода (Tj) ниже 150°C для кремниевых приборов с запасом безопасности 20–25°C, оптимизируя при этом стоимость, пространство и воздушный поток. Для типового корпуса TO-247, рассеивающего 50 Вт, необходим радиатор с тепловым сопротивлением 1,2°C/Вт или ниже при температуре окружающей среды 50°C и принудительном воздушном охлаждении.

Путь теплового сопротивления и расчет

Тепловой путь от кремниевого кристалла к окружающему воздуху состоит из трех основных сопротивлений: переход-корпус (RθJC), корпус-радиатор (RθCS) и радиатор-окружающая среда (RθSA). Общее тепловое сопротивление (RθJA) представляет собой сумму этих трех значений, а температура перехода рассчитывается по формуле Tj = Ta + (P × RθJA), где Ta — температура окружающей среды, а P — рассеиваемая мощность в ваттах.

Для практического примера рассмотрим MOSFET IRFP460 в корпусе TO-247, рассеивающий 40 Вт. RθJC составляет 0,45°C/Вт, а со слюдяным изолятором и теплопроводной пастой RθCS составляет приблизительно 0,5°C/Вт. Если температура окружающей среды равна 40°C, а максимально допустимая Tj составляет 150°C, требуемое RθSA равно (150 - 40) / 40 - 0,45 - 0,5 = 1,8°C/Вт. Стандартный алюминиевый экструдированный радиатор с размерами 100 мм x 60 мм x 40 мм при естественной конвекции обеспечивает приблизительно 2,5°C/Вт, что недостаточно. Инженер должен либо увеличить площадь поверхности, добавить принудительный воздушный поток, либо снизить рассеиваемую мощность.

Выбор материала: алюминий против меди

Алюминий 6063-T5 является отраслевым стандартом для радиаторов благодаря своей экономичности, малому весу и adequate теплопроводности 201 Вт/м·К. Медь обеспечивает 401 Вт/м·К, что почти вдвое превышает теплопроводность алюминия, но она в 3–4 раза дороже за килограмм и весит в 3,3 раза больше алюминия. Для большинства применений с MOSFET алюминий является рациональным выбором, если только ограничения по пространству не являются экстремальными или плотность мощности не превышает 100 Вт на 100 мм длины радиатора.

Для высокочастотных переключающих применений, где радиатор также служит заземляющей плоскостью, иногда указывается медь, но никелированный алюминий является более практичной альтернативой. BQUQ использует алюминий 6063-T5 для 90% своего производства радиаторов, а алюминий 1050 используется для штампованных радиаторов благодаря его превосходной формуемости, несмотря на slightly более низкую теплопроводность 222 Вт/м·К.

Геометрия радиатора и конфигурация ребер

Геометрия радиатора напрямую влияет на коэффициент конвективной теплопередачи. Для естественной конвекции оптимальное расстояние между ребрами обычно составляет от 6 мм до 10 мм, в зависимости от высоты ребер, чтобы обеспечить беспрепятственный поток воздуха. Толщина ребер должна составлять от 1,5 мм до 3,0 мм для экструдированных профилей, а высота ребер не должна превышать 10-кратное расстояние между ребрами, чтобы избежать застоя воздушного потока.

Для принудительной конвекции со скоростью воздушного потока от вентилятора 3 м/с расстояние между ребрами можно уменьшить до 3–5 мм, а высоту ребер увеличить до 50 мм и более. Перепад давления на ребрах должен быть рассчитан, чтобы гарантировать, что выбранный вентилятор обеспечивает adequate статическое давление. Радиатор размером 100 мм x 100 мм x 50 мм с расстоянием между ребрами 4 мм и толщиной ребер 2 мм имеет площадь поверхности приблизительно 0,8 м², что обеспечивает тепловое сопротивление 0,8°C/Вт при воздушном потоке 3 м/с по сравнению с 2,8°C/Вт при естественной конвекции.

Гнутые или штампованные ребра, распространенные в производстве BQUQ, позволяют достичь более высокой плотности ребер (до 10 ребер на дюйм) и меньшего веса по сравнению с экструзией. Однако необходимо учитывать контактное тепловое сопротивление между штампованным ребром и базовой пластиной, которое обычно добавляет 0,1–0,3°C/Вт к общему сопротивлению. Паяные или спаянные соединения превосходят механическую обжимку, снижая это дополнительное сопротивление до уровня ниже 0,05°C/Вт.

Методы монтажа и термоинтерфейсные материалы

Интерфейс между корпусом полупроводника и радиатором часто является наиболее упускаемым из виду источником тепловых отказов. Голый корпус TO-220, установленный непосредственно на алюминий, имеет RθCS приблизительно 1,0°C/Вт из-за шероховатости поверхности. Нанесение слоя теплопроводной пасты толщиной 25 микрон (на силиконовой основе, с теплопроводностью 0,8 Вт/м·К) снижает RθCS до 0,2°C/Вт. Для более высокой производительности материалы с фазовым переходом или графитовые прокладки с теплопроводностью 5 Вт/м·К могут достигать значений RθCS 0,1°C/Вт.

Давление монтажа не менее критично. Для корпусов TO-220 и TO-247 рекомендуемый крутящий момент винта составляет 0,5–0,7 Н·м. Недостаточная затяжка значительно увеличивает RθCS, в то время как чрезмерная затяжка может треснуть пластиковый корпус или деформировать поверхность радиатора. BQUQ рекомендует использовать пружинную и плоскую шайбы для поддержания постоянного давления при температурных циклах, поскольку алюминий расширяется со скоростью 23 ppm/°C, а медная выводная рамка — 17 ppm/°C, что создает дифференциальное напряжение на интерфейсе.

Для высоковольтных применений, превышающих 500 В, обязательна электрическая изоляция. Варианты включают анодированную алюминиевую поверхность (пробивное напряжение 500–1000 В, но с дополнительным тепловым сопротивлением 0,3–0,5°C/Вт) или керамическую прокладку из оксида алюминия толщиной 0,5 мм (пробивное напряжение 2000 В, RθCS 0,4°C/Вт). Слюдяные шайбы, хотя и дешевы (0,02 USD за штуку), имеют высокое RθCS 0,8°C/Вт и хрупки; их следует избегать в производственных условиях.

Разбивка затрат и сроки поставки

Стоимость радиатора зависит от производственного процесса. Экструдированные алюминиевые радиаторы имеют низкую стоимость оснастки — 300–800 USD за стандартную матрицу, что делает их экономичными для объемов свыше 500 штук. Цена за единицу для экструзии 100 мм x 60 мм x 40 мм составляет 2,50–4,00 USD при количестве 1000 штук, со сроком поставки 2–3 недели, включая анодирование.

Штампованные радиаторы, изготовленные из алюминиевого листа толщиной 0,5–1,0 мм, имеют более высокую стоимость оснастки — 2000–5000 USD за прогрессивный штамп, но цена за единицу снижается до 1,20–2,00 USD при количестве свыше 5000 штук. Срок поставки составляет 4–5 недель из-за изготовления штампа. Для прототипирования или мелкосерийного производства менее 100 штук наиболее быстрым вариантом является радиатор с ЧПУ-обработкой из цельного блока: срок поставки 3–5 дней, но цена за единицу 15–25 USD.

Принудительный воздушный поток и системная интеграция

Естественной конвекции часто недостаточно для MOSFET, рассеивающих более 20 Вт. Добавление осевого вентилятора размером 40 мм x 40 мм x 10 мм с расходом 10 CFM и статическим давлением 0,2 дюйма вод. ст. снижает тепловое сопротивление типового радиатора на 50–70%. Системный проектировщик должен учитывать надежность вентилятора, поскольку отказ вентилятора приведет к быстрому тепловому разгону. Стратегия снижения тепловой мощности в прошивке, уменьшающая частоту переключения или предел тока при превышении температуры радиатора 85°C, является стандартной защитной мерой.

Для жидкостного охлаждения, которое все чаще используется в инверторах электромобилей, радиатор заменяется холодной плитой с внутренними каналами. Тепловое сопротивление жидкостно-охлаждаемой холодной плиты составляет 0,05–0,1°C/Вт, что на порядок лучше воздушного охлаждения. Однако стоимость возрастает до 50–100 USD за единицу, а система требует насоса, радиатора и теплоносителя, что добавляет сложность и потенциальные точки утечки.

Расположение радиатора относительно других компонентов на печатной плате также имеет значение. Радиатор не следует размещать непосредственно над или под силовым дросселем, поскольку магнитное поле будет индуцировать вихревые токи в алюминии, вызывая локальный нагрев. Рекомендуется расстояние не менее 10 мм. Кроме того, радиатор должен быть ориентирован ребрами вертикально для естественной конвекции, чтобы способствовать эффекту тяги, который улучшает воздушный поток на 15–20% по сравнению с горизонтальной ориентацией ребер.

Рекомендации для инженеров в формате FAQ

Какова максимальная безопасная Tj для кремниевого MOSFET? Абсолютный максимум из технического описания обычно составляет 150°C или 175°C, но для долгосрочной надежности более 10 лет поддерживайте Tj ниже 120°C. Каждые 10°C снижения Tj удваивают среднее время между отказами.

Следует ли использовать радиатор с черным анодированным покрытием? Да. Черное анодирование увеличивает излучательную способность с 0,05 для голого алюминия до 0,85, улучшая лучистую теплопередачу до 30% при естественной конвекции. Слой анодирования имеет толщину 10–25 микрон и добавляет 0,1–0,2°C/Вт теплового сопротивления, что пренебрежимо мало по сравнению с выгодой от излучения.

Как рассчитать требуемый размер радиатора при неизвестной рассеиваемой мощности? Используйте осциллограф с токовым датчиком для измерения фактического среднеквадратичного тока через MOSFET и падения напряжения VDS во время проводимости. Перемножьте эти значения, чтобы получить потери проводимости. Добавьте потери переключения, которые приблизительно равны 0,5 × VDS × ID × (t_нараст + t_спада) × f_переключ. Суммируйте эти значения, чтобы получить общую рассеиваемую мощность, затем используйте формулу теплового сопротивления.

Каков допуск на значения теплового сопротивления? Значения RθSA, указанные производителями радиаторов, измеряются в идеальных лабораторных условиях с равномерным источником тепла. В реальных применениях тепловое сопротивление может быть на 20–30% выше из-за неравномерного нагрева и эффектов пограничного слоя. Всегда снижайте расчетное RθSA на коэффициент 1,25.

Заключение и инженерная рекомендация

Выбор радиатора для MOSFET и силовых полупроводников — это детерминированный инженерный процесс, а не догадка. Рассчитайте рассеиваемую мощность, определите допустимое тепловое сопротивление, затем выберите материал, геометрию и производственный процесс, которые удовлетворяют тепловому бюджету при наименьшей общей стоимости. Для производственных объемов свыше 1000 единиц экструдированный алюминий с черным анодированным покрытием является наиболее экономичным решением. Для высокой плотности или автомобильных применений рассмотрите штампованные ребра с паяными соединениями или жидкостно-охлаждаемые холодные плиты.

В BQUQ наш 20-летний опыт в ЧПУ-обработке, штамповке металла и производстве радиаторов позволяет нам поставлять компоненты с допуском ±0,05 мм на монтажных поверхностях и плоскостностью поверхности 0,02 мм. Наш стандартный срок поставки составляет 2 недели для экструдированных профилей и 5 дней для прототипов с ЧПУ. Мы предоставляем бесплатные отчеты по тепловому моделированию с каждым коммерческим предложением, гарантируя, что полученный радиатор соответствует вашим требованиям Tj, а не только заявлениям из технического описания.

Для точного коммерческого предложения в течение 12 часов отправьте вашу 3D-модель, рассеиваемую мощность и температуру окружающей среды нашей инженерной команде. Эл. почта: sc@bquq.com, WhatsApp: +86 13713157787, www.bquq.com. Мы предоставим тепловое моделирование и разбивку затрат для оптимального решения по радиатору для вашего конкретного применения.

Похожие Статьи

• Как прикрепить радиатор без винтов: руководство по термоклею
• Терморегулирование для ярких светодиодов с радиаторами
• Базовая станция 5G наружное охлаждение AAU: задача климатической адаптации безвентиляторного пассивного дизайна