Desarrollo de pautas de diseño térmico para MOSFET de potencia en un chasis

Los MOSFET son omnipresentes en la electrónica y su rendimiento afecta significativamente las características térmicas de un diseño. Evaluar físicamente ese impacto puede ser un desafío, pero se puede modelar detalladamente utilizando herramientas de software de empresas como Ansys para simular el flujo térmico, como se muestra en la Figura 1.

Es difícil desarrollar tableros de evaluación que representen todas las condiciones térmicas posibles debido a limitaciones de tiempo y costos. Sin embargo, las simulaciones bien diseñadas brindan una visión profunda del flujo de aire y de las instalaciones de refrigeración adicionales. Estos modelos son muy adaptables, permiten investigar muchas condiciones diferentes y no implican los costos asociados con las juntas de evaluación.

Este artículo discutirá el modelado de simulación del comportamiento térmico de MOSFET en un chasis cerrado. Investigaremos el impacto de:

Se presentan los resultados de las simulaciones, seguidos de recomendaciones de diseño basadas en esos hallazgos.

En este artículo, examinaremos dos modelos de diseño diferentes que constan de diferentes dimensiones de chasis, dimensiones de PCB y construcción, y con y sin componentes adicionales.

Para la simulación se utilizan dos tipos de modelos de chasis:

La PCB del Modelo 1 es de 100 × 180 × 1,6 mm con cuatro capas. Los espesores de las trazas de las capas superior, inferior e interior son todos de 35 μm.

La PCB del Modelo 2 mide 125 × 175 × 1,6 mm con cuatro capas. Los espesores de traza de las capas superior, inferior e interna para este modelo son 70, 70 y 35 μm, respectivamente.

Tenga en cuenta que todas las placas PCB están hechas de FR4 y el porcentaje de cobre para las pistas está establecido en 80%. Las placas no tienen una capa de resistencia a la soldadura en la parte superior y los ajustes de simulación incluyen solo emisividad para compensar el efecto de esa capa. Además, los tableros no tienen orificios pasantes ni vías térmicas.

El modelo de los MOSFET se basa en el paquete TO-247 con un tamaño de chip de 4 × 4 × 0,25 mm, un espesor de cable de 0,6 mm y un molde de 16 × 20 × 4,4 mm. Para optimizar mejor el tiempo de análisis, los MOSFET se modelan utilizando tres partes (molde, chip y plomo) omitiendo los cables de unión y la soldadura. El resultado es una aproximación cercana a un sólido rectangular.

El modelo 2 también incluye dispositivos IC, inductores (bobinas y transformadores) y condensadores electrolíticos. Los inductores y dispositivos IC se modelan como resistencia al flujo de aire en lugar de dispositivos generadores de calor. Un diseño típico de este modelo se muestra en la Figura 3.

En la simulación se utiliza un ventilador de 40 × 40 mm, incorporando varias curvas PQ (presión-volumen) para su representación.

La parrilla, fijada a la pared del chasis, se puede configurar como entrada o salida utilizando el ventilador como ventilador de succión o soplador. Tenga en cuenta que la parrilla tiene una relación de apertura de 1,0.

Esta simulación es el caso más simple y utiliza el Modelo 1 con un solo MOSFET (disipación de potencia de 2 W) como fuente de calor. Una comprensión sólida del comportamiento térmico de un único MOSFET colocado en varias posiciones dentro del chasis, junto con diferentes ubicaciones de ventilador y parrilla, sirve como punto de partida para las simulaciones restantes.

La Figura 4 muestra las diversas combinaciones de posiciones de MOSFET, parrilla y ventilador.

Los resultados del flujo de aire obtenidos con el software Ansys se muestran en la Figura 5 para las ubicaciones de los dispositivos en A1, A2, A3, A4 y A5. Aquí, el ventilador se coloca en la posición A y la parrilla en la posición C.

La resistencia térmica del MOSFET para esta y todas las simulaciones restantes se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación:

Resistencia térmica = (temperatura promedio del chip simulada – temperatura ambiente) / disipación de potencia

De acuerdo con los resultados para todas las combinaciones posibles de ubicación de dispositivo, parrilla y ventilador, resulta evidente que colocar un MOSFET a lo largo del camino que va directamente del ventilador a la parrilla es el enfoque más efectivo.

A continuación, se colocan un total de 25 MOSFET en el modelo y se encienden simultáneamente, con el ventilador en la parte inferior izquierda (posición del ventilador A) y la parrilla en la esquina superior derecha (posición de la parrilla C) del Modelo 1, respectivamente.

De manera similar a la simulación de un MOSFET único, se mide la temperatura promedio del chip MOSFET para calcular la resistencia térmica del MOSFET. Una variable clave en esta simulación es el espacio entre los MOSFET.

Como se esperaba, los resultados mostrados en las Figuras 6 (muy espaciados) y 7 (muy espaciados) indican que el espaciado es importante para lograr el mejor control térmico. Con un espacio más amplio, el aire se movía más suavemente entre los MOSFET, lo que hacía que la resistencia térmica de los MOSFET disminuyera, independientemente de si se utilizó un ventilador de succión (lado izquierdo de cada imagen) o un ventilador (lado derecho de cada imagen).

En ambos casos de MOSFET muy cercanos y muy espaciados, el ventilador de succión no funciona tan bien como el ventilador.

Ahora simularemos en condiciones más realistas, como se muestra en la Figura 8. Tenga en cuenta la inclusión de circuitos integrados, bobinas, inductores y otros componentes adicionales. Además, reconozca la ubicación del ventilador y la parrilla.

En este conjunto de simulaciones, se variaron nuevamente las posiciones del ventilador y la parrilla y se calculó la resistencia térmica de los MOSFET. Los resultados se proporcionan en la Tabla 1.

La posición del ventilador A con la posición de la parrilla C proporcionó el mejor rendimiento térmico general para ambos modos de funcionamiento del ventilador.

Utilizando el Modelo 2, se estudió el efecto del tamaño de la parrilla utilizando un ventilador de succión. El análisis proporcionó datos que relacionan el tamaño de la parrilla con la resistencia térmica de seis MOSFET colocados dentro del modelo de chasis que se muestra a la izquierda en la Figura 9. Los resultados que se muestran a la derecha de la Figura 10 indican que una parrilla más grande enfría de manera más efectiva todo el espacio dentro del chasis. .

La convección forzada atrae aire frío del exterior hacia el chasis, mientras que la convección natural logra el enfriamiento a medida que el aire caliente de las fuentes de calor se eleva y el aire frío ingresa para reemplazarlo. Tenga en cuenta que la convección natural requiere una abertura en la parte superior en lugar de una parrilla. La convección natural es más económica de implementar porque no requiere ventilador; sin embargo, generalmente es menos eficaz en comparación.

La configuración de la simulación y la ubicación de los componentes se ilustran en la Figura 10, donde la imagen de la izquierda representa la convección natural y la imagen de la derecha es la convección forzada.

La Figura 11 proporciona los resultados de estas simulaciones. Es evidente que la convección forzada proporciona un mejor rendimiento térmico con temperaturas más bajas en todos los niveles de potencia. Esto sirve como recordatorio de que los ventiladores, a pesar del coste asociado, son una buena elección en diseño térmico.

La siguiente simulación se centra en estudiar los resultados de la convección forzada en relación con el ancho del chasis. La Figura 12 muestra los dos diseños implementados: uno con chasis ancho y otro con chasis estrecho igual al ancho del ventilador.

Se simulan ventiladores de soplado y de succión, y sus resultados se resumen en la Figura 13. Para el chasis pequeño, la distancia desde el ventilador no tiene tanto impacto como en el chasis más grande, donde el flujo de aire no estará tan restringido.

El rendimiento del ventilador tiene un efecto en el diseño térmico. La Figura 14 ilustra un diseño de simulación para evaluar el impacto del rendimiento del ventilador (utilizando ventiladores de Q (flujo de aire volumétrico) alto, medio y bajo) en la resistencia térmica de cuatro MOSFET.

La Figura 15 resume los resultados de la simulación y, como se esperaba, los ventiladores de alto flujo de aire logran una menor resistencia térmica para los cuatro chips. En el caso de los ventiladores, el MOSFET más cercano al ventilador experimenta la resistencia térmica más baja. Para los ventiladores de succión, ocurre lo contrario: el MOSFET más cercano a la parrilla tiene la menor resistencia térmica. Esto intuitivamente tiene sentido ya que estos MOSFET están más cerca del aire más frío entrante.

Otro enfoque común para el diseño térmico de MOSFET implica el uso de disipadores de calor MOSFET, que aceleran la disipación de calor al proporcionar una superficie más grande. Se utilizan dos orientaciones diferentes del disipador: horizontal (con aletas en el mismo plano que la PCB) y vertical. Los seis modelos evaluados se muestran en la Figura 16 con tres orientaciones diferentes de dispositivo y disipador de calor cruzadas con el uso de métodos de enfriamiento natural o forzado.

Los resultados se proporcionan a continuación en la Tabla 2. Tanto para el enfriamiento por aire natural como para el forzado, el disipador de calor reduce la resistencia térmica.

Los disipadores de calor de chasis son otro enfoque común en el diseño térmico de electrónica de potencia. Dado que puede resultar difícil conectar disipadores de calor a MOSFET individuales cuando el espacio es limitado, nuestro análisis final examina el impacto de utilizar el propio chasis como disipador de calor.

En este escenario, se coloca un material de interfaz térmica (TIM) entre el chasis de aluminio y el MOSFET para proporcionar aislamiento eléctrico. La configuración y los tres enfoques se muestran en la Figura 17: sin disipador de calor, disipadores de calor conectados a los cuatro MOSFET colocados en los bordes y disipadores de calor del chasis para los cuatro MOSFET colocados en los bordes.

La Figura 18 resume los resultados. Usar un chasis como disipador de calor es muy efectivo, pero será necesario tener en cuenta el material del chasis para obtener resultados comparables.

Al recopilar todos los resultados descritos anteriormente, podemos llegar a algunas pautas generales para diseños de sistemas que emplean MOSFET:

Para ver los resultados completos obtenidos de estas simulaciones, consulte la Nota de aplicación de Toshiba para sugerencias y sugerencias para el diseño térmico de dispositivos semiconductores discretos, Parte 3. Toshiba comprende el desafío del diseño térmico que involucra MOSFET, especialmente para el comportamiento dentro de un chasis. Contáctenos hoy para obtener más información sobre cómo Toshiba puede ayudarlo a abordar los problemas térmicos en sus diseños.

Todas las imágenes son cortesía de Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation.

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