Zarządzanie ciepłem w układach dużej mocy z tranzystorami SiC i GaN

| Technika

Rosnący rynek elektromobilności i związane z tym zwiększone zapotrzebowanie na ładowarki i przetwornice o dużej gęstości mocy spowodowały dynamiczny rozwój elementów półprzewodnikowych dużej mocy. Są to przede wszystkim tranzystory MOSFET wykonane z węgliku krzemu oraz azotku galu.

Zarządzanie ciepłem w układach dużej mocy z tranzystorami SiC i GaN

Elementy te charakteryzują się bardzo małą rezystancją kanału oraz wysoką częstotliwością pracy, co pozwala na wykonanie urządzenia o dużej mocy i o niewielkich wymiarach. Mimo, że straty energii podczas konwersji organiczne są do minimum, duża moc całości sprzyja powstawaniu gorących punktów tj. miejsc ze znacznym wzrostem temperatury na małej powierzchni. Aby nie stały się one zalążkiem awarii i dla zapewnienia długotrwałej i bezawaryjnej pracy urządzenia konieczne jest staranne zaprojektowanie układu chłodzenia. Należy przy tym wziąć pod uwagę nie tylko długookresowe zmiany temperatury, ale również właśnie jej możliwy szybki wzrost prowadzący do powstania gorących punktów.

Aby układ działał stabilnie, na początku niezbędne jest precyzyjne określenie impedancji termicznych poszczególnych źródeł ciepła. W analizie konieczne jest zwrócenie szczególnej uwagi na materiały pośredniczące w transporcie energii między podzespołami. Należą do nich folie, kleje, zalewy, żywice oraz "gap fillery" – miękkie podkładki termoprzewodzące wypełniające szczeliny.

Izolować, ale nie od ciepła

W przypadku tranzystorów na podkładki zazwyczaj stosuje się folie wzmocnione włóknem szklanym charakteryzujące się znaczną wytrzymałością mechaniczną. Jedną z najpopularniejszych, z uwagi na bardzo dobre własności termiczne, jest folia TFO-X-SI firmy HALA Contec. W zależności od przewidywanych nierówności powierzchni można zastosować podkładki różnej grubości od 0,2 do 0,8mm. Co ważne, w karcie katalogowej określono przewodnictwo cieplne w funkcji siły docisku, tak więc możliwe jest precyzyjne wyliczenie rezystancji termicznej, a dokładność wykonania folii gwarantuje niewielki jej rozrzut. Stabilny docisk zapewnić mogą sprężyste blaszki "hala clips" przystosowane do montowania elementów w obudowach TO-220 i TO-247. Tutaj również producent dokładnie podał zależność wartości siły docisku w funkcji odkształcenia. Możliwe jest więc określenie parametrów termicznych podkładki umieszczonej pod takim tranzystorem.

Odporność mechaniczna uzyskana dzięki warstwie włókna szklanego, ważna jest szczególnie w przemyśle samochodowym, gdzie występują duże wibracje, a wymagana jest wysoka niezawodność. Warstwa ta gwarantuje też wytrzymałość elektryczną wymaganą w przypadku konieczności zapewnienia odpowiedniej klasy izolacji. W zależności od wymagań normatywnych specyficznych dla wyrobu możliwy jest dobór odpowiedniego napięcia i grubości. Wspomniana powyżej podkładka zapewnia izolację podstawową nawet w układach trójfazowych.

Podkładki termoprzewodzące mogą być wykonywane również w formie nakładek silikonowych izolujących tranzystory lub diody ze wszystkich stron. Mają one nieco gorsze własności termiczne, ale za to ich montaż jest bardzo prosty. W przypadku urządzeń mniejszej mocy mogą stanowić interesującą alternatywę. Kolejnym rozwiązaniem są dwuskładnikowe "gap fillery", które mogą być automatycznie dozowane na podzespoły. Można nimi pokryć bardzo nierówne powierzchnie bez stosowania dużego nacisku. Dzięki dokładnemu wypełnieniu szczelin znacznie poprawia się skuteczność chłodzenia. Jednym z takich materiałów jest gap-filler TDG-T-SI-2C firmy Hala Contec o przewodnictwie cieplnym 3 W/mK. Dodatkową zaletą jest to, że można go stosować w aplikacjach samochodowych jako absorber drgań, ponieważ po utwardzeniu pozostaje elastyczny.

Wysoka temperatura

Tranzystory SiC bardzo często wykonane są w formie modułów, a ich stosowanie nie wymaga zapewnienia izolacji elektrycznej. W tym przypadku krytyczna jest skuteczność układu chłodzenia, stąd odpowiednimi materiałami są folie grafitowe, folie aluminiowe z materiałami "phase change" (zmiennofazowymi) lub rozwiązania nakładane bezpośrednio na chłodzone powierzchnie. Pozwalają na uzyskanie rezystancji termicznej na poziomie kilkunastu milikelwinów na wat. Ze względu na dużą przewodność elektryczną folie grafitowe działają skutecznie jako ekrany tłumiące zakłócenia elektromagnetyczne. Są one również bardzo lekkie, co ma znaczenie w aplikacjach mobilnych. Bardzo wysoka maksymalna temperatura użytkowania sięgająca w przypadku materiału TFO-S-CB 400°C powoduje, że ich uszkodzenie jest bardzo mało prawdopodobne. Tranzystory z węgliku krzemu są również bardzo odporne termicznie (Tjmax=200°C), tak więc w parze z materiałami grafitowymi pozwalają na stworzenie wyjątkowo niezawodnych urządzeń. Kolejną cechą charakterystyczną dla tranzystorów SiC jest wysokie napięcie przebicia sięgające 1700 V, a ich użycie w układach wielofazowych wymusza zastosowanie materiałów termoprzewodzących o bardzo wysokim napięciu izolacji np. taśm wykonanych z Kaptonu o napięciu przebicia do 12 kV.

Problem z dużą szybkością przełączania

Z uwagi na krótkie czasy przełączania w stopniach mocy z elementami GaN należy zwrócić szczególną uwagę na pojemność drenu tranzystora do radiatora. Jest ona proporcjonalna do przenikalności elektrycznej podkładki. W tym zakresie dobre parametry zapewniają podkładki silikonowe. Tranzystory GaN, z uwagi na konieczność ograniczenia do minimum indukcyjności pasożytniczych, umieszczane są zazwyczaj w obudowach do montażu powierzchniowego. Ich chłodzenie wymaga zastosowania płaskich radiatorów pokrytych materiałem termoprzewodzącym np. folią silikonową lub foliami pokrytymi materiałem typu "phase change". Z uwagi na niższe napięcie przebicia zastosowanie tranzystorów GaN jest ograniczone do urządzeń jednofazowych np. wysokosprawnych układów PFC lub przetwornic niskonapięciowych DC-DC, tak więc również folie termoprzewodzące do takich zastosowań mogą mieć nieco niższe napięcie dopuszczalne.

W niektórych aplikacjach może być koniecznie zastosowanie przewodów z cieczą transmitującą ciepło jak najdalej od elementów półprzewodnikowych. Są to tzw. "heat pipes" wykonywane na zamówienie dla konkretnego projektu. W ten sposób można szybko odprowadzić znaczną moc do radiatora znajdującego się w odległości kilkudziesięciu centymetrów. Projekt układu chłodzenia może wymagać przeprowadzenia zaawansowanych symulacji CFD (podobnej do analiza FEA, ale bardziej uniwersalnej), w której wykonaniu mogą pomóc firmy BLelektronik oraz Hala Contec.

Zadzwoń do nas

Najnowsze elementy półprzewodnikowe wymagają zastosowania nowoczesnych systemów chłodzenia. W ich zaprojektowaniu i doborze optymalnych materiał wyspecjalizowała się firma BL elektronik. Konsultacje na wczesnym etapie projektu mogą skrócić czas jego wykonania i zaowocować wykonaniem niezawodnego produktu.

 

BL elektronik

tel. 12 357 63 78, 696 483 020

www.blelektronik.com.pl
www.blelektronik.com.pl/sklep/

Zobacz również

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie