[論文レビュー] Thermal Design of Power Electronic Circuits

R. Künzi|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2016

Silicon Carbide Semiconductor Technologies被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、データシートと実験的検証を用いて、導通損失およびスイッチング損失を正確に推定することに焦点を当てた、パワー電子回路の包括的な熱設計手法を提示する。実装されたPCBベースのコンバータ設計を通じて、熱モデルの構築、ビアの戦略的配置、部品レベルの熱最適化を組み合わせることで、強制対流を用いずに効果的な被動冷却を実現できることを示している。これにより、定格負荷下でも均一な温度分布（65 °C未満）を達成した。

ABSTRACT

The heart of every switched mode converter consists of several switching semiconductor elements. Due to their non-ideal behaviour there are ON state and switching losses heating up the silicon chip. That heat must effectively be transferred to the environment in order to prevent overheating or even destruction of the element. For a cost-effective design, the semiconductors should be operated close to their thermal limits. Unfortunately the chip temperature cannot be measured directly. Therefore a detailed understanding of how losses arise, including their quantitative estimation, is required. Furthermore, the heat paths to the environment must be understood in detail. This paper describes the main issues of loss generation and its transfer to the environment and how it can be estimated by the help of datasheets and/or experiments.

研究の動機と目的

• データシートパラメータを用いて、パワー半導体の導通損失およびスイッチング損失を体系的に推定する手法の開発。
• パワー電子モジュールにおける半導体ジャンクションから環境への熱パスの分析。
• プリント回路基板（PCB）上での被動冷却設計により、ヒートスポットの低減と熱的信頼性の向上。
• プロトタイプ作成、温度測定、繰り返し設計改善を通じた熱的性能の検証。
• 熱伝導経路の最適化により、強制冷却を用いずに効果的な熱管理を達成できることの実証。

提案手法

• IGBTおよびダイオードの導通損失およびスイッチング損失の推定に、VCE、VF、Rth(ja)などのデータシートパラメータを用いる。
• IGBTの導通損失には P_loss = m·I_out·V_CE を、ダイオードの導通損失には P_loss = (1−m)·I_out·V_F を適用する。
• R_th = l / (λ·A) を用いて、PCBの層間の熱抵抗を計算し、異なる材料の λ 値は表2から取得する。
• 銅めっき穴（熱ビア）を用いてPCB層間の熱抵抗を低減し、各ビアの熱抵抗 R_th via = l / (λ·A) を計算する。
• 熱伝導性の高い銅層と熱伝達フィルムを備えた多層PCBを設計し、水平方向および垂直方向の熱拡散を向上させる。
• プロトタイプの熱画像測定と理論的熱モデルの比較を通じて、設計の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なデータシートパラメータから、パワー半導体の導通損失およびスイッチング損失をどの程度正確に推定できるか？
• RQ2 PCBの層およびビアを通過する熱抵抗が、高電力電子モジュールのジャンクション温度上昇に及ぼす影響は何か？
• RQ3 強制冷却を用いずに、被動冷却設計を最適化することで、パワー電子コンバータにおけるヒートスポットをどのように排除できるか？
• RQ4 部品レベルの変更（例：通孔実装から表面実装部品への置き換え）が、熱的性能にどの程度の向上効果をもたらすか？
• RQ5 理論的熱モデルと実世界のパワーコンバータ設計における実測温度測定値との相関度はどの程度か？

主な発見

• m = 0.8 およびジャンクション温度の仮定に基づき、定格負荷下でのIGBTの導通損失は176 W、フリーウィンジングダイオードの損失は46 Wと推定された。
• FR-4素材のPCBコア単体の熱抵抗は13.3 K/Wと計算され、基板全体で133 Kの温度上昇を引き起こし、信頼性の高い動作には不適切であった。
• 64個の熱ビアを追加することで、有効熱抵抗は2.45 K/Wに低下し、PCB層と組み合わせた場合の温度差は20.7 Kにまで低下した。
• 最終的な設計では、ほとんどの部品が65 °C未満で均一な温度分布を示し、極端なヒートスポットが存在しなかった。これにより、熱戦略の有効性が確認された。
• 部品の置き換え（金属ケースを備えたSMDへの変更、高定格のチョークへの交換など）が、熱的性能の顕著な向上をもたらした。
• 最終プロトタイプにおける実測温度は、理論的熱モデルと強く相関しており、設計手法の妥当性が裏付けられた。