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SiC功率模块和SiCMOSFET单管不同的散热
安装形式
在本系列的前几篇文章中[1-7],我们介绍了基于安森美丰富的SiC功率
模块和其他功率器件开发的25kWEV快充系统。
在这一章,我们来看看其中的热管理部分是如何提高效率和可靠性,同
时防止系统过早失效的。
首先,我们会从开关损耗和散热贴装两个方面来复习一下SiCMOSFET
模块相对分立SiCMOSFET的几个优势。其次,我们将描述如何利用热管理
技术和计算来设计散热风扇的安装和其控制系统,以及如何使使用SiC功率
模块的内置NTC来控制风扇自动为PFC和DC-DC部分降温。最后我们详
细了解用于调节风扇转速的PWM-电压转换器的设计,并通过模拟来展示其
运行的关键方面和补偿器的设计。
单管vs模块
开关损耗
相比SiCMOSFET单管,SiCMOSFET模块的工作效率通常更高,因
为其具有更小的寄生效应。举个例子,下表是1200V/20mΩ/TO247-4LD
的SiCMOSFET单管NTH4L020N120SC1和SiCMOSFET模块
NXH020F120MNF1PTG的对比。
表1.SiCMOSFET单管vsSiCMOSFET模块:开关损耗
表1中的参数取自产品的数据表,它们表明模块具有更低的开关损耗。
封装中的寄生电感更低,从而使功率能力更高。因此,对于同样的输出功率,
SiC模块可以在更高的开关频率下工作。更高的开关频率操作有助于减少无
源元件的尺寸,以及整体设计尺寸。
散热贴装
封装在热管理中起着重要作用。分立MOSFET和模块的热贴装是不一
样的。在分立MOSFET封装中,Die与一块铜垫相连,而这种铜垫从外观看
是作为导热层与空气和外部接触的。不过,也可以在MOSFET和散热器之
间加入了一种热介质材料(ThermalInterfaceMaterial)或热化合物,z额
外的这一层是为了:
提高铜垫至散热片的热导率
实现铜垫和散热片之间的电气绝缘
图1.分立MOSFET的散热贴装示意图
SiCMOSFET单管NTH4L020N120SC1的结-壳热阻是0.3℃/W。如
果在MOSFET和散热片之间增加一层具有3℃/W热阻的TIM散热层,则
参考图3和表2所示,MOSFET和散热片之间的整体热阻提高为3.3℃/W。
功率模块的散热贴装与分立MOSFET完全不同。由于模块使用了直接
覆铜陶瓷基板(DBC,DirectBondingCooper)作为Die的承载体,结-壳热
阻已经包含了绝缘层。
表1的功率模块NXH020F120MF1PTG预先增加了相变材料散热层
(PCM,PhaseChangeMaterial),PCM作为填补DBC和散热片的空隙是
非常好的选择,因为它能够最大程度上增加接触面积,减少整体热阻,如图
2。
图2.功率模块的散热贴装示意图
你可以在功率模块NXH020F120MNF1PTG的规格书里找到结-壳热阻
和结-散热片热阻参数,分别是0.45℃/W和0.80℃/W。表2总结了这些数
值。
表2.SiCMOSFET单管vsSiCMOSFET模块:热阻
虽然单管的结-壳热阻较低,但整体的热阻相比模块高出不少,而且模块
的导热能力更好。相同规格的Die的情况,模块可以在更高的功率下运行
(NTH4L020N120SC1
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