Sviluppo di linee guida per la progettazione termica per MOSFET di potenza in uno chassis

I MOSFET sono onnipresenti nell'elettronica e le loro prestazioni influiscono in modo significativo sulle caratteristiche termiche di un progetto. Valutare fisicamente tale impatto può essere impegnativo, ma può essere modellato da vicino utilizzando strumenti software di aziende come Ansys per simulare il flusso termico, come mostrato nella Figura 1.

È difficile sviluppare schede di valutazione che rappresentino tutte le possibili condizioni termiche a causa di vincoli di tempo e costi. Le simulazioni ben progettate, tuttavia, forniscono informazioni approfondite sul flusso d'aria e ulteriori soluzioni di raffreddamento. Tali modelli sono altamente adattabili, consentono la ricerca in molte condizioni diverse e non comportano i costi associati ai comitati di valutazione.

Questo articolo discuterà la modellazione di simulazione del comportamento termico dei MOSFET in uno chassis chiuso. Esamineremo l’impatto di:

Vengono presentati i risultati delle simulazioni, seguiti da raccomandazioni di progettazione basate su tali risultati.

In questo articolo esamineremo due diversi modelli di progettazione costituiti da diverse dimensioni del telaio, dimensioni del PCB e costruzione, con e senza componenti aggiuntivi.

Per la simulazione vengono utilizzati due tipi di modelli di telaio:

Il PCB per il Modello 1 è 100 × 180 × 1,6 mm con quattro strati. Gli spessori delle tracce dello strato superiore, inferiore e interno sono tutti di 35 μm.

Il PCB per il Modello 2 è 125 × 175 × 1,6 mm con quattro strati. Gli spessori delle tracce degli strati superiore, inferiore e interno per questo modello sono rispettivamente 70, 70 e 35 μm.

Si noti che tutte le schede PCB sono realizzate in FR4 e la percentuale di rame per le tracce è fissata all'80%. Le schede non hanno uno strato di resistenza alla saldatura sulla parte superiore e le impostazioni di simulazione includono solo l'emissività per compensare l'effetto di quello strato. Inoltre le schede non sono dotate di fori passanti e vie termiche.

Il modello per i MOSFET si basa sul package TO-247 con una dimensione del chip di 4 × 4 × 0,25 mm, uno spessore del piombo di 0,6 mm e uno stampo di 16 × 20 × 4,4 mm. Per ottimizzare al meglio il tempo di analisi, i MOSFET sono modellati utilizzando tre parti: stampo, chip e piombo, senza i fili di collegamento e la saldatura. Il risultato è una buona approssimazione a un solido rettangolare.

Il modello 2 comprende anche dispositivi IC, induttori (bobine e trasformatori) e condensatori elettrolitici. Gli induttori e i dispositivi IC sono modellati come resistenza al flusso d'aria piuttosto che come dispositivi generatori di calore. Un layout tipico di questo modello è mostrato nella Figura 3.

Nella simulazione viene utilizzata una ventola da 40 × 40 mm, che incorpora varie curve PQ (pressione-volume) per la rappresentazione.

La griglia, fissata alla parete del telaio, può essere configurata come ingresso o uscita utilizzando la ventola come ventola di aspirazione o soffiante. Si noti che la griglia ha un rapporto di apertura di 1,0.

Questa simulazione è il caso più semplice e utilizza il Modello 1 con un singolo MOSFET (dissipazione di potenza di 2 W) come fonte di calore. Una solida conoscenza del comportamento termico di un singolo MOSFET posizionato in varie posizioni all'interno dello chassis, insieme a diversi posizionamenti di ventole e griglie, funge da punto di partenza per le restanti simulazioni.

La Figura 4 mostra le varie combinazioni di posizioni MOSFET, griglia e ventola.

I risultati del flusso d'aria ottenuti utilizzando il software Ansys sono mostrati nella Figura 5 per il posizionamento del dispositivo in A1, A2, A3, A4 e A5. In questo caso la ventola è posizionata in posizione A e la griglia in posizione C.

La resistenza termica del MOSFET per questa e tutte le restanti simulazioni viene calcolata secondo la seguente equazione:

Resistenza termica = (temperatura media simulata del chip – temperatura ambiente) / dissipazione di potenza

In base ai risultati relativi a tutte le possibili combinazioni di posizionamento del dispositivo, della griglia e della ventola, risulta evidente che posizionare un MOSFET lungo il percorso che porta direttamente dalla ventola alla griglia è l'approccio più efficace.

Successivamente, un totale di 25 MOSFET vengono posizionati nel modello e accesi contemporaneamente, con la ventola in basso a sinistra (posizione della ventola A) e la griglia nell'angolo in alto a destra (posizione della griglia C) del Modello 1, rispettivamente.