大功率分立器件熱管理的重要性在于，所有電子設(shè)備和電路都會(huì)產(chǎn)生過多的熱量，因此需要熱管理來提高可靠性并防止過早失效。大多數(shù)最新一代汽車，特別是混合動(dòng)力汽車 （HEV） 和電動(dòng)汽車 （EV），都配備了大量電力電子設(shè)備，包括逆變器和直流 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。為了減少對(duì)化石燃料的依賴并提高車輛效率，功率離散的監(jiān)管起著至關(guān)重要的作用。

可用于熱管理的可用解決方案旨在最大限度地提高熱效率，最大限度地減少重量和成本，并減小所用組件的尺寸。越來越多的最新一代車輛及其電子元件和設(shè)備已經(jīng)產(chǎn)生了與熱量形式的功耗相關(guān)的嚴(yán)重問題。印刷電路板 （PCB） 的形狀和尺寸變得越來越復(fù)雜，連接數(shù)量龐大，而且面積不斷縮小，這加劇了這種情況。

有效散熱規(guī)則

從一開始就必須選擇具有高效率和低功率損耗的功率分立器件。這些電子元件根據(jù)環(huán)境條件將吸收的功率轉(zhuǎn)化為熱量，產(chǎn)生的溫度必須散發(fā)熱量。當(dāng)滿足以下兩個(gè)條件時(shí)，可以獲得高散熱效率：

電子元件與周圍環(huán)境存在較大溫差；

電子元件可以通過較大的表面積與空氣進(jìn)行熱交換。

第一個(gè)要求可以通過選擇具有高能效和低功率損耗的組件來滿足，這些組件將能夠在高溫下運(yùn)行且散熱量非常低。第二個(gè)要求通常是通過直接在功率分立器件上或在其附近應(yīng)用合適的散熱器或熱交換器來滿足。通過強(qiáng)制氣流通過特殊風(fēng)扇，可以進(jìn)一步改善能量耗散。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器廣泛用于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的電源電路中，具有高轉(zhuǎn)換效率和低功率損耗的特點(diǎn)。然而，封裝小型化的增長趨勢(shì)大大減少了組件與空氣之間的熱交換表面。這使得必須引入不同的解決方案，例如用于基板熱粘合的裸露焊盤 （EP）。EP 甚至允許小型電子元件有效散熱。此外，靠近器件封裝的 PCB 的大表面積用于改善熱輻射。

為了使熱管理有效，必須確保吸收最大功率的組件的結(jié)溫不超過數(shù)據(jù)表中指定的最大值。從設(shè)計(jì)的角度來看，遵循一些特定的規(guī)則可以獲得高散熱。

圖 1：安裝在四層 PCB 上的 IC

如圖 1 所示，通過將裸露焊盤直接焊接在 PCB 銅接地平面上并插入熱通孔以將熱量從內(nèi)部接地平面轉(zhuǎn)移到電路板邊緣，可以獲得出色的結(jié)果。PCB 走線的厚度也必須盡可能地減小，以達(dá)到散熱量。放置在 PCB 相對(duì)面上的接地層必須起到散熱器的作用，因此，它們不能出現(xiàn)中斷。此外，必須避免與熱流方向垂直的走線，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致阻抗增加并產(chǎn)生熱點(diǎn)。

功率分立器件

氮化鎵材料 （GaN） 使高頻電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)具有更高的功率密度、更小的尺寸，并且由于卓越的開關(guān)特性和沒有反向恢復(fù)損耗而重量輕。以下是可用的 GaN 投訴熱管理產(chǎn)品：

Texas Instruments LMG5200 是一款 80V、10A 氮化鎵 （GaN） 半橋功率級(jí)，適用于實(shí)現(xiàn)高效熱效率的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。該器件是需要以小尺寸進(jìn)行高頻、高效率操作的應(yīng)用的理想解決方案。與 TPS53632G 控制器一起使用時(shí)，LMG5200 可實(shí)現(xiàn)從 48V 到負(fù)載點(diǎn)電壓 （0.5-1.5V） 的直接轉(zhuǎn)換。

Infineon Technologies IMZ120R045M1 是基于碳化硅的 1200V、45mΩ MOSFET，采用 TO247-4 封裝，采用最先進(jìn)的溝槽半導(dǎo)體工藝，經(jīng)過優(yōu)化以將性能與可靠性相結(jié)合。與傳統(tǒng)的基于硅 （Si） 的開關(guān)（如 IGBT 和 MOSFET）相比，碳化硅 MOSFET 具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括低柵極電荷、器件電容、內(nèi)部體二極管無反向恢復(fù)損耗、與溫度無關(guān)的低開關(guān)損耗和閾值 -自由通態(tài)特性。

CoolSiC? MOSFET 是功率因數(shù)校正 （PFC） 電路、雙向拓?fù)浜?DC-DC 轉(zhuǎn)換器的理想選擇。

安森美半導(dǎo)體的 NCP51705 是一款驅(qū)動(dòng) IC，主要設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET 晶體管。為了實(shí)現(xiàn)盡可能低的傳導(dǎo)損耗，驅(qū)動(dòng)器能夠向 SiC MOSFET 器件提供最大允許柵極電壓。通過在開啟和關(guān)閉期間提供高峰值電流，開關(guān)損耗也被最小化。為了提高可靠性、dV/dt 抗擾度和更快的關(guān)斷速度，NCP51705可以使用其板載電荷泵來生成用戶可選擇的負(fù)電壓軌。該器件包括保護(hù)功能，例如針對(duì)偏置電源的欠壓鎖定監(jiān)控和基于驅(qū)動(dòng)器電路結(jié)溫的熱關(guān)斷。

如果器件在高溫條件下運(yùn)行，則通過從裸露焊盤下方到另一層的分布來實(shí)現(xiàn)熱管理，以盡可能降低熱阻。應(yīng)用包括 SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)器、逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、PFC 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

審核編輯：郭婷