Разработка рекомендаций по термическому расчету силовых МОП-транзисторов в корпусе

МОП-транзисторы повсеместно используются в электронике, и их производительность существенно влияет на тепловые характеристики конструкции. Физическая оценка этого воздействия может быть сложной задачей, но его можно точно смоделировать с помощью программных инструментов таких компаний, как Ansys, для моделирования теплового потока, как показано на рисунке 1.

Из-за ограничений по времени и стоимости разработать оценочные платы, отражающие все возможные температурные условия, сложно. Однако хорошо продуманное моделирование дает глубокое представление о воздушном потоке и дополнительных средствах охлаждения. Такие модели легко адаптируются, позволяют проводить исследования в самых разных условиях и не требуют затрат, связанных с оценочными платами.

В этой статье будет обсуждаться имитационное моделирование теплового поведения МОП-транзисторов в закрытом корпусе. Мы изучим влияние:

Представлены результаты моделирования, а также рекомендации по проектированию, основанные на этих выводах.

В этой статье мы рассмотрим две разные модели конструкции, состоящие из разных размеров шасси, размеров и конструкции печатной платы, а также с дополнительными компонентами и без них.

Для моделирования используются два типа моделей шасси:

Печатная плата модели 1 имеет размеры 100×180×1,6 мм и имеет четыре слоя. Толщина следов верхнего, нижнего и внутреннего слоев составляет 35 мкм.

Печатная плата Model 2 имеет размеры 125×175×1,6 мм и имеет четыре слоя. Толщина следов верхнего, нижнего и внутреннего слоев для этой модели составляет 70, 70 и 35 мкм соответственно.

Обратите внимание, что все печатные платы изготовлены из FR4, а процент меди в дорожках установлен на уровне 80%. Платы не имеют слоя резиста припоя сверху, а настройки моделирования включают только коэффициент излучения, чтобы компенсировать эффект этого слоя. Кроме того, на платах отсутствуют сквозные и тепловые переходы.

Модель МОП-транзисторов основана на корпусе ТО-247 с размерами кристалла 4×4×0,25 мм, толщиной вывода 0,6 мм и формой 16×20×4,4 мм. Чтобы лучше оптимизировать время анализа, МОП-транзисторы моделируются с использованием трех частей — пресс-формы, чипа и вывода — без соединительных проводов и припоя. Результатом является близкое приближение к прямоугольному телу.

Модель 2 также включает в себя микросхемы, катушки индуктивности (катушки и трансформаторы) и электролитические конденсаторы. Индукторы и ИС-устройства моделируются как устройства сопротивления воздушному потоку, а не как устройства, генерирующие тепло. Типичная компоновка этой модели представлена ​​на рисунке 3.

В моделировании используется вентилятор размером 40 × 40 мм, для представления которого используются различные кривые PQ (давление-объем).

Решетку, прикрепленную к стенке корпуса, можно настроить как приточную, так и выпускную, используя вентилятор в качестве всасывающего или нагнетательного вентилятора. Обратите внимание, что решетка имеет коэффициент открытия 1,0.

Это моделирование является простейшим случаем и использует Модель 1 с одним МОП-транзистором (рассеиваемая мощность 2 Вт) в качестве источника тепла. Твердое понимание теплового поведения одного МОП-транзистора, размещенного в различных положениях внутри корпуса, в сочетании с различным расположением вентиляторов и решеток, служит отправной точкой для остальных симуляций.

На рис. 4 показаны различные комбинации положений MOSFET, решетки и вентилятора.

Результаты воздушного потока, полученные с помощью программного обеспечения Ansys, показаны на рисунке 5 для размещения устройств в A1, A2, A3, A4 и A5. Здесь вентилятор расположен в положении A, а решетка — в положении C.

Тепловое сопротивление MOSFET для этого и всех остальных моделей рассчитывается по следующему уравнению:

Тепловое сопротивление = (средняя моделируемая температура чипа – температура окружающей среды) / рассеиваемая мощность.

По результатам для всех возможных комбинаций размещения устройства, решетки и вентилятора становится очевидным, что размещение МОП-транзистора вдоль пути, ведущего непосредственно от вентилятора к решетке, является наиболее эффективным подходом.

Затем в модель помещают в общей сложности 25 МОП-транзисторов и одновременно включают их, причем вентилятор находится в левом нижнем углу (положение вентилятора A), а решетка — в правом верхнем углу (положение гриля C) модели 1 соответственно.