车用功率MOSFET遇「散热」挑战

作者:兰洋科技    浏览量:3931    时间:2023年10月27日    标签: 新能源汽车 热管理 对流散热

车辆可用于部署技术方案的空间通常非常狭小,这主要是因为大部分可用空间都留给了座舱,电子系统则塞在剩余空间里。

本文将介绍半导体封装层面的创新如何在改善现代汽车应用中的热管理方面取得巨大进展。随着车辆转向电力驱动,以前的许多机械或液压系统被电驱动取代,现今车辆上的大功率转换量显著升高。为了提高这些新型电气系统的整体效率,尤其是为了增加车辆的行驶里程,业界投入了巨大努力和大量预算。

对系统设计人员来说,更高的效率还有一个好处,那就是产生的废热显著减少。从热管理的角度来看,这意味着可以减少散热器或完全无需散热器,进而削减方案的尺寸、重量和成本。事实上,任何电源工程师都知道,消除热量的最好办法是一开始就不产生热。其次是确保任何浪费的能量都尽可能通过直接的路径释放到环境中。虽然碳化硅(SiC)之类的宽能带隙技术已经在效率提升方面取得了巨大的飞跃,但没有(可能永远不会有)一种功率组件不会引起一些能量损耗。

半导体的常规散热方法

在功率应用中,金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)往往是表面贴装组件(SMD),如SO8FL、u8FL和LFPAK封装类型。SMD成为首选技术的原因在于:它具备良好的功率能力,能够方便地自动放置和焊接,并且支持实现紧凑的方案。然而,SMD元件的散热并不理想,因为其热传播路径通常要通过印刷电路板(PCB)(图1)。

▲图1 常规散热方法,热量需要通过PCB传输到散热器

在常规组件中,引线框架(包括裸露漏极焊盘)直接焊接到PCB上的铜基底,进而提供从芯片到PCB的电连接和热路径。这是与PCB的唯一直接电热连接,因为组件的其余部分被封闭在模塑中,仅透过对流散热到周围空气中。

采用这种方法时,组件的热传递效率严重依赖于PCB的特性,如铜基底的面积大小、层数、厚度和布局。无论电路板是否连接到散热器,都是如此。由于热路径受限,并且PCB的低热导率妨碍散热,因此组件的最大功率能力受到限制。

顶部散热解决过热问题

为了解决散热问题, 厂商开发了一种MOSFET封装,让引线框架(漏极)在封装的顶部暴露出来。透过顶部散热(Top Cool)对应用布局/空间和热传递都有好处(图2)。采用传统方法对功率MOSFET进行散热,虽然能实现相当紧凑小巧的方案,但出于散热考虑,PCB的下侧不能放置其他组件。这种方法一般需要较大的PCB来容纳所有必要的组件。

图2 顶部散热组件将散热器置于上方以改善布局和热性能

顶部散热组件的热路径向上,因此散热器被放置在MOSFET上方,允许在下侧布置功率元件、栅极驱动器和其他组件,从而可以使用较小的PCB。这种更紧凑的布局还使得栅极驱动走线可以更短,这对于高频工作是个优势。

此外,由于不再要求热量通过PCB,因此PCB本身将保持较低温度水平,MOSFET周围的组件将在较低温度下工作,这有利于提高其可靠性。

顶部散热元件除了布局优势外,还具有明显的散热优势,因为这种封装允许热量直接耗散到组件的引线框架。铝具有高热导率(通常在100~210W/mk之间),因此最常用的散热器是铝制的。与通过PCB的常规散热相比,铝或类似金属大大降低了热阻,进而提供更好的热回应。

除了提高热导率外,散热器还提供更大的热质量,这有助于避免饱和,提供更大的热时间常数,因为顶部安装的散热器可根据应用需求来确定适当的尺寸。顶部散热封装拥有直接通过高热质量散热器进行散热的优势,因此其热回应(以每瓦温升来衡量)会更好。在接面温度升幅一定的情况下,更好的热响应将支持更高功率运行。最终,对于相同的MOSFET芯片,采用顶部散热封装的芯片比采用标准SMD封装的芯片将拥有更高的电流和功率能力。

顶部散热N沟道MOSFET

厂商开发了一系列顶部散热组件,采用改进LFPAK 5×7封装,尺寸仅5mm×7mm。新的顶部散热封装被命名为TCPAK57,上侧具有16.5mm2散热焊盘,热量可以直接耗散到散热器中。

在内部,TCPAK57组件具有用于源极和漏极连接的铜夹。它取代了线焊,允许以极小的电阻传导大电流,并构成有效的热连接通向上侧焊盘。新器件提供高功率应用所需的电气效率,RDS(ON)值低至1 mΩ。

汽车功率设计应注重热管理

为了实现汽车产业中的设计目标,功率设计中的热管理是重要基础。MOSFET 等分立功率元件的常规散热方法让热量通过PCB传递到散热器。然而,这并不是理想的热路径,使得组件性能受到影响。

为此,一种新的封装形式是将散热焊盘移至顶部,这样散热器可以直接焊接到组件上。这不仅改善了MOSFET的散热,还可以在PCB的下侧布置组件,进而提高汽车等关键应用的功率密度。

本文标题:车用功率MOSFET遇「散热」挑战

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