Quelles sont les normes de conception thermique des diodes dans les systèmes de conversion d’énergie électrique ?

一, Fondements de la conception thermique : paramètres clés et mécanismes de défaillance
Définition des paramètres thermiques du cœur
Température de jonction (Tvj) : température moyenne d'une jonction PN, qui est un indicateur essentiel pour mesurer l'état thermique d'un appareil. Selon les « Spécifications techniques SJ/T 2216-2015 pour les photodiodes au silicium », la température de jonction maximale autorisée pour les diodes à base de silicium est généralement de 125 à 150 degrés, et pour les diodes au carbure de silicium (SiC), elle peut atteindre 175 degrés.
Résistance thermique (Rth) : paramètre qui décrit l'efficacité du transfert de chaleur, divisé en résistance thermique en régime permanent - (RthJC, RthCH, RthHA) et résistance thermique transitoire (ZthJC, ZthCA). Par exemple, le RthJC du module IGBT Infineon FF400R12KE3G est de 0,15 K/W, ce qui indique que pour chaque augmentation de 1 degré de la température de jonction, 6,67 W de puissance doivent être dissipés.
Les principaux modes de défaillance thermique des diodes comprennent :
Panne thermique : la température de jonction dépasse la limite du matériau, provoquant des dommages permanents à la jonction PN.
Fatigue thermique : des cycles thermiques répétés peuvent provoquer des fissures de la couche de soudure, telles que des fissures de fatigue aux interfaces de soudage eutectiques à des températures allant de -40 degrés à 125 degrés.
Dérive des paramètres : une température élevée provoque une augmentation de la chute de tension de conduction (Vf) et de la charge de récupération inverse (Qrr). Par exemple, le Vf des diodes Schottky augmente de 20 % à 150 degrés par rapport à 25 degrés.
2, Processus de conception à chaud : contrôle en boucle fermée-de la sélection à la vérification
1. Critères de sélection des appareils
Sélection des matériaux :
Silicium (Si) : Adapté aux moyennes et basses tensions (<600V), medium frequency (<100kHz) scenarios, with low cost but high thermal resistance.
Silicon carbide (SiC): With a withstand voltage of over 1200V and a 70% reduction in switching losses, it is suitable for high-frequency (>100kHz) and high-temperature (>150 degrés). Par exemple, la diode Schottky SiC de la série C3D améliore l'efficacité de 4 % en conversion 48 V/12 V CC-CC.
Nitrure de gallium (GaN) : La fréquence de commutation peut atteindre le niveau MHz, mais elle nécessite un circuit pilote adapté et a un coût élevé.
Forme d'emballage :
Emballage à montage en surface (SMD) : tel que la diode SMD SM4007, la zone de dissipation thermique est trois fois plus grande que l'emballage DO-41, ce qui le rend adapté à une disposition dense.
Emballage modulaire : tel que les modules PowerBLOCK, intégrant plusieurs puces et substrats de dissipation thermique, réduisant le RthJC de 50 %.
2. Disposition des PCB et conception de dissipation thermique
Conception de feuille de cuivre :
Le circuit d'alimentation principal adopte une feuille de cuivre de grande surface-et des vias thermiques multi-couches (Ø 0,3-0,5 mm, pas de 1 mm) sont disposés sous les plots de soudure pour réduire la résistance thermique.
Exemple : Dans un convertisseur DC-DC de 12 kW, la température du plot de diode a été réduite de 105 degrés à 78 degrés en augmentant la densité des vias thermiques.
Isolation thermique et zone indépendante :
Maintenez une distance supérieure ou égale à 3 mm des composants sensibles à la température (tels que les puces de contrôle) et, si nécessaire, une fente pour l'isolation.
Évitez la conception à col étroit pour garantir une diffusion uniforme de la chaleur.
3. Sélection du schéma de dissipation thermique
Effet typique de réduction de la résistance thermique et niveau de coût des scénarios applicables de la méthode de dissipation thermique
Convection naturelle faible puissance (<100W) 20-50% low
Puissance moyenne de refroidissement à air pulsé (100W-5kW) 50-70%
Water cooled high-power (>5kW) 70-90% élevé
Les points chauds locaux (tels que les MOSFET/diodes) des caloducs/plaques d'égalisation de température sont de 60 à 80 % moyennement élevés.
Cas : Une certaine station de recharge pour véhicules électriques adopte un système de plaque refroidie à l'eau + graisse silicone thermoconductrice, qui réduit la température de jonction des diodes SiC de 140 degrés à 95 degrés et augmente la densité de puissance à 5 kW/L.
3, Simulation thermique et vérification des tests : Quantifier les risques de contrôle
1. Simulation collaborative thermoélectrique
Outils : SPICE (calcul des pertes)+FloTHERM/CEPAK (simulation thermique).
processus technologique :
Saisissez la forme d'onde de travail (I2F (rms), I2F (avg), valeur de crête V_R, fs).
Extrayez Vf (@ ​​IF, Tj) et Qrr (@ dI/dt, V_R) du manuel de données.
Simulez la distribution de la température de jonction, optimisez la disposition et le schéma de dissipation thermique.
Résultat : un certain onduleur photovoltaïque a réduit l'erreur de prédiction de la température de jonction des diodes de ± 15 degrés à ± 3 degrés grâce à la simulation.
2. Méthodes de test actuelles
Test d'échauffement :
Utilisez un thermocouple près du bas du plot de soudure et une caméra thermique infrarouge pour vous aider à localiser le point chaud.
Augmentez la charge pour augmenter la puissance et enregistrez la courbe de changement de température de jonction.
Vieillissement à haute température :
Faites fonctionner à pleine charge pendant 1 000 heures à une température ambiante de 85 degrés et surveillez la dérive Vf (doit être<5%).
Test de cycle thermique :
-Faites passer la température de 40 degrés à 125 degrés 1 000 fois et vérifiez l'intégrité de la couche de soudure et de l'emballage.
4, cas d'application de l'industrie et conformité aux normes
1. Scénarios d'application typiques
Borne de recharge pour véhicules électriques :
Adoption du module de diode SiC MOSFET + SiC Schottky, dissipation thermique refroidie à l'eau -, répondant à l'exigence de température de jonction inférieure ou égale à 125 degrés dans la norme CEI 61851-1.
Onduleur industriel :
L'utilisation du module IGBT FF400R12KE3G, associé à un dissipateur thermique à ailettes en forme d'aiguille, a réussi le test d'augmentation de température standard UL 840.
Alimentation du centre de données :
The 48V/12V DC-DC converter adopts GaN devices and temperature equalization plates, meeting the DOE 2025 energy efficiency standard (peak efficiency>96%).
2. Conformité aux normes internationales
CEI 60747-1 : spécifie la température de jonction maximale et la plage de température de stockage des diodes (Tstg=150 degré, limite de 672 heures).
JEDEC JESD51 : définir les méthodes de test de résistance thermique, y compris les tests en régime permanent - (JESD51-1) et transitoire (JESD51-14).
AEC-Q101 : Les diodes de qualité automobile doivent subir des tests de cycles de température allant de -40 °C à 150 °C pour garantir une fiabilité de 10 ans.