Chiar dacă s-ar putea să nu fie imediat evident – din cauza dimensiunilor relativ mari ale vehiculelor – spațiul disponibil pentru soluțiile tehnologice din vehicule este, în general, destul de mic și înghesuit. Motivul principal este că cea mai mare parte a spațiului este alocată habitaclului pasagerilor, iar sistemele electronice sunt ascunse în spații aflate în afara zonei de acces.
Deși acest lucru este logic, răcirea acestor soluții devine o provocare – mai ales că nivelurile de putere sunt ridicate în multe aplicații auto. Prin urmare, industria continuă să caute modalități prin care răcirea să poată fi îmbunătățită, oferind o serie de avantaje producătorilor de automobile și proprietarilor de vehicule.
Pe măsură ce vehiculele trec la propulsia electrică – unde multe sisteme mecanice sau hidraulice, sunt înlocuite cu actuatoare electrice – volumul de conversie de mare putere de pe vehiculele moderne crește semnificativ. Se depun eforturi uriașe și se alocă bugete semnificative pentru a crește eficiența generală a acestor noi sisteme electrice, în primul rând pentru a crește autonomia vehiculului.
În plus, o eficiență mai mare oferă proiectantului sistemului încă un beneficiu important, mai precis, reducerea semnificativă a căldurii reziduale. Din perspectiva managementului termic, acest lucru înseamnă că tehnicile de răcire, cum ar fi radiatoarele, pot fi reduse sau eliminate complet, reducând astfel dimensiunea, greutatea și costul soluției.
De fapt, după cum știe orice inginer specializat în tehnologia de putere, cel mai bun mod de a elimina căldura este să nu o generezi. Al doilea cel mai bun lucru este să vă asigurați că orice energie reziduală are un traseu cât mai scurt posibil către mediul înconjurător.
În timp ce tehnologiile cu bandă interzisă largă, cum ar fi cele cu carbură de siliciu (SiC), au făcut salturi uriașe în ceea ce privește îmbunătățirea eficienței, nu există (și probabil că nu va exista niciodată) un dispozitiv de putere care să nu aibă parte de pierderi de energie.
Abordări convenționale pentru răcirea semiconductorilor
Figura 1: Răcirea convențională necesită transmiterea căldurii prin placa de circuit imprimat către un radiator. (onsemi)
În aplicațiile de putere, tranzistoarele cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor (MOSFET) tind să devină dispozitive cu montare pe suprafață (SMD), cum ar fi tipurile de capsule SO8FL, u8FL și LFPAK. SMD este tehnologia preferată, deoarece oferă o bună capabilitate de putere și confortul plasării și lipirii automate, precum și o soluție compactă. Cu toate acestea, disiparea căldurii în cazul dispozitivelor SMD nu este ideală, deoarece calea de propagare a căldurii trece de obicei prin placa de circuit imprimat (PCB).
În cazul componentelor convenționale, structura conductoare, inclusiv un pad de drenaj exterior, este lipită direct pe amprenta de cupru de pe placa de circuit imprimat, care asigură o conexiune electrică și o cale termică de la cip la placa de circuit imprimat. Aceasta este singura conexiune termică galvanică directă cu placa de circuit imprimat, deoarece restul dispozitivului este plasat într-un material de turnare și răcit numai prin convecție cu aerul din jur.
Prin această abordare, eficiența transferului de căldură de la dispozitiv depinde în mare măsură de proprietățile PCB-ului, cum ar fi dimensiunea planului de cupru (Cu), straturile de cupru, greutatea și dispunerea cuprului. Acest lucru este valabil indiferent dacă placa este atașată sau nu la un radiator. Datorită căii termice restrânse, capabilitatea maximă de putere a dispozitivului este limitată, deoarece conductivitatea termică scăzută a PCB-ului împiedică disiparea căldurii.
Conceptul Top Cool
Figura 2: Dispozitivele Top Cool plasează radiatorul deasupra, îmbunătățind dispunerea și performanța termică. (onsemi)
Pentru a rezolva această problemă, onsemi a dezvoltat o nouă capsulă MOSFET care plasează drena pe partea superioară a capsulei. Această abordare aduce beneficii atât în ceea ce privește layout-ul / spațiul aplicației, cât și în ceea ce privește transferul termic.
În timp ce abordarea tradițională pentru răcirea MOSFET-urilor de putere este capabilă să ofere soluții rezonabil de compacte, partea inferioară a PCB-ului trebuie să rămână nepopulată pentru a permite aplicarea unui radiator. În cadrul acestei abordări, este necesar, în general, un PCB mai mare pentru a găzdui toate componentele necesare.
Deoarece traseul termic este ascendent în cazul dispozitivelor Top Cool, radiatorul este plasat deasupra MOSFET-urilor, permițând plasarea componentelor, cum ar fi dispozitivele de alimentare, driverele de poartă și alte componente pe partea inferioară, permițând astfel utilizarea unui PCB mai mic. Această dispunere mai compactă permite, de asemenea, trasee mai scurte pentru comanda porții, ceea ce poate să devină un avantaj în cazul funcționării la frecvențe ridicate.
În plus, întrucât nu mai există cerința de trecere a căldurii prin PCB, acesta va rămâne mai rece, iar componentele din jurul MOSFET-urilor vor funcționa la temperaturi mai scăzute, ceea ce va îmbunătăți fiabilitatea acestora.
Pe lângă avantajele de dispunere oferite de dispozitivele Top Cool, există, de asemenea, beneficii termice semnificative, deoarece capsula permite o răcire directă către carcasa dispozitivului. Cele mai frecvent utilizate radiatoare sunt cele din aluminiu datorită conductivității termice ridicate (de obicei între 100 și 210 W/mk). Aluminiul sau alte metale similare reduc considerabil rezistența termică în comparație cu o răcire convențională prin intermediul unui PCB, oferind astfel un răspuns termic mai bun.
În plus față de conductivitatea termică îmbunătățită, radiatoarele oferă o masă termică mult mai mare care ajută la evitarea saturației, oferind o constantă de timp termică mai mare, deoarece radiatorul montat pe partea superioară poate fi dimensionat în funcție de nevoile aplicației.
Având în vedere avantajul de a fi atașată direct la un radiator cu masă termică mare, capsula cu răcire prin partea superioară va avea un răspuns termic mai bun, exprimat prin creșterea temperaturii per Watt. Acest răspuns termic îmbunătățit permite funcționarea la o putere mai mare pentru o anumită creștere a temperaturii joncțiunii.
În final, aceeași plachetă MOSFET încorporată într-o capsulă Top Cool va avea capabilități de curent și putere mai mari decât aceeași plachetă plasată într-o capsulă SMD standard.
Noua gamă de MOSFET-uri cu canal N Top Cool
Figura 3: Portofoliul inițial Top Cool cuprinde șapte dispozitive. (© onsemi)
onsemi a dezvoltat o gamă de dispozitive Top Cool care sunt găzduite într-o capsulă LFPAK 5×7 modificată, măsurând doar 5 mm x 7 mm. Denumită TCPAK57, noua capsulă Top Cool dispune de un pad termic de 16,5 mm2 pe partea superioară, permițând disiparea căldurii printr-un radiator.
La nivel intern, dispozitivele TCPAK57 dispun de o clemă din cupru pentru conexiunile sursei și drenei. Aceasta înlocuiește îmbinările prin fire metalice și permite curenți mari cu o rezistență minimă, precum și o conexiune termică eficientă la pad-ul din partea superioară. Noile dispozitive oferă eficiența electrică necesară în aplicațiile de mare putere, cu valori RDS(ON) de până la 1mΩ.
Această soluție valorifică expertiza profundă a companiei onsemi în domeniul packaging-ului pentru a oferi soluția cu cea mai mare densitate de putere din industrie. Portofoliul inițial TCPAK57 include un total de șapte dispozitive, cu valori nominale de 40V, 60V și 80V. Toate dispozitivele sunt apte să opereze la temperaturi de joncțiune (Tj) de 175°C și sunt calificate AEC-Q101 și PPAP. Acest lucru, împreună cu aripioarele lor care permit inspectarea lipiturilor și fiabilitatea superioară la nivel de placă, le face să fie ideale pentru aplicațiile solicitante din domeniul auto. Aplicațiile vizate sunt comenzile motoarelor de putere mare/medie, cum ar fi servodirecția electrică și pompele de ulei.
Dispozitivele Top Cool TCPAK57 oferă o densitate de putere crescută, iar fiabilitatea îmbunătățită a noului design contribuie la o durată de viață extinsă a sistemului în ansamblu.
Rezumat
Managementul căldurii în proiectele de putere este fundamental pentru atingerea obiectivelor de proiectare dificile existente în industria auto. Tradițional, răcirea dispozitivelor de putere discrete, cum ar fi MOSFET-urile, implica trecerea energiei termice prin PCB către un radiator. Însă, această cale termică nu era ideală și, în consecință, performanța dispozitivului era afectată.
Cu toate acestea, un nou stil de capsulă poziționează pad-ul termic în partea superioară, permițând astfel ca un radiator să fie lipit direct de dispozitiv. Acest lucru nu numai că îmbunătățește răcirea MOSFET-ului, dar permite, de asemenea, ca partea inferioară a PCB să fie utilizată pentru plasarea componentelor, crescând astfel densitatea de putere în aplicații critice, precum cele din domeniul auto.
Autor:
Carlos Ramirez Ramos
Product Line Director, Automotive Power Discretes
