[论文解读] Thermal Design of Power Electronic Circuits

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

Silicon Carbide Semiconductor Technologies被引用 17

一句话总结

本文提出了一套全面的电力电子电路热设计方法，重点通过数据手册参数和实验验证，实现对导通损耗和开关损耗的精确估算。通过一个基于印刷电路板（PCB）的转换器设计实例，证明了结合热建模、合理的过孔布局以及器件级热优化，可在无需强制对流冷却的情况下实现有效的被动冷却，使满载下温度分布均匀且低于65 °C。

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.

研究动机与目标

• 开发一种系统化方法，利用数据手册参数估算功率半导体的导通和开关损耗。
• 分析电力电子模块中从半导体结点到环境的热传导路径。
• 通过印刷电路板（PCB）上的被动冷却设计，最小化热点并提高热可靠性。
• 通过原型制作、温度测量和迭代设计改进，验证热性能。
• 证明通过优化热导路径，可在不使用强制冷却的情况下实现有效的热管理。

提出的方法

• 利用数据手册参数（如VCE、VF和Rth(ja)）估算IGBT和二极管的导通和开关损耗。
• 应用公式P_loss = m·I_out·V_CE计算IGBT导通损耗，P_loss = (1−m)·I_out·V_F计算二极管导通损耗。
• 通过R_th = l / (λ·A)计算PCB各层的热阻，其中λ值来自表2中不同材料的参数。
• 采用热过孔（铜镀孔）降低PCB各层之间的热阻，对每个过孔使用R_th via = l / (λ·A)进行计算。
• 设计多层PCB，采用热导率高的铜层和导热箔，以增强横向和纵向的热扩散。
• 通过原型的热成像验证设计，并将实测温度与计算的热模型进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何基于标准数据手册参数准确估算功率半导体的导通和开关损耗？
• RQ2 PCB层及过孔的热阻对高功率电子模块结温升高的影响是什么？
• RQ3 如何通过被动热管理优化，实现在无强制冷却条件下消除电力电子转换器中的热点？
• RQ4 器件级改进（如将通孔器件替换为表面贴装器件）在多大程度上提升了热性能？
• RQ5 理论热模型与实际电力转换器设计中实验测得的温度数据之间的吻合程度如何？

主要发现

• 在满载条件下，基于m = 0.8和结温假设，IGBT的导通损耗估算为176 W，续流二极管的导通损耗为46 W。
• 仅通过PCB基板（FR-4）的热阻计算为13.3 K/W，导致板上温升达133 K，这对可靠运行不可接受。
• 通过增加64个热过孔，有效热阻降低至2.45 K/W，与PCB层结合后，温差降至20.7 K。
• 最终设计实现了均匀的温度分布，大部分器件温度低于65 °C，且无明显热点，证实了热策略的有效性。
• 器件替换（如改用带金属外壳的表面贴装器件及更高额定电流的电感）显著改善了热性能。
• 最终原型实测温度与理论热模型高度吻合，验证了该设计方法的可靠性。