制定機箱中功率MOSFET的熱設計指南

MOSFET在電子產品中無所不在，其性能顯著影響設計的熱特性。這種影響的物理評估具有挑戰性，但可以使用Ansys等公司的軟體工具進行緊密建模來模擬熱流，如圖1所示。

你可以下載本頁內容的PDF文件

本文將研究兩種不同的設計模型，包括不同機箱尺寸、 PCB尺寸和結構，以及有和沒有附加組件的情況。

用於模擬的機箱模型有兩種類型：

• 1型機殼為120×200×40 mm，機殼的六個面均配有隔熱層。這種模型的機箱如圖2所示。
• 2型機殼為140×200×40 mm，機殼六個面配有厚度為1mm的鋁板，方便機殼溫度分析，同時作為散熱片。

PCB模型1為100 ×180×1.6 mm ，共四層。頂層、底層及中間層跡線厚度均為35 μm 。

PCB模型2為125×175×1.6 mm ，共四層，模型頂層、底層及中間層跡線厚度分別為70 、 70和35 μm 。

請注意，所有PCB電路板均由FR4材料製成，走線含銅量設為80% 。電路板頂部沒有阻焊層，模擬設定僅包含補償電路層影響的輻射率。此外，電路板沒有通孔和散熱孔。

MOSFET模型基於TO-247封裝，晶片尺寸為4×4×0.25 mm ，引線厚度為0.6 mm ，框架為16×20×4.4 mm 。為了更好地優化分析時間， MOSFET使用三個部分建模—框架、晶片和引線—省略鍵合引線和焊接線。所得結果近似於長方體。

模型2還包括IC裝置、電感器（即線圈和變壓器）和電解電容器。電感器和IC元件是按氣流阻力，而不是按發熱器件建模。這種模型的典型佈局如3所示。

模擬使用40×40 mm風扇，結合多個PQ （壓力-流量）曲線來表示。 .

T連接機殼側壁的格柵可配置為進風口或出風口，風扇用作吹風機或排風機。請注意，格柵的開口率為1.0 。

這種模擬是最簡單的情況，使用模型1 ，以單一MOSFET （ 2W功耗）作為熱源。結合風扇和格柵的不同位置，切實了解單一MOSFET放置在機殼內不同位置的熱行為，可作為其餘模擬的起點。

圖4顯示MOSFET 、格柵和風扇位置的各種組合。

使用Ansys軟體所獲得的氣流結果如圖5所示，裝置分別放置在A1 、 A2 、 A3 、 A4和A5 。圖中，風扇位於位置A ，格柵位於位置C 。

此模擬以及所有剩餘模擬的MOSFET熱阻根據以下公式計算：

熱阻= （平均晶片模擬溫度–環境溫度） /功耗

從裝置、格柵和風扇位置所有可能的組合結果來看，很明顯， MOSFET放在風扇直通格柵的通道中是最有效的方法。

接下來，將總共25個MOSFET放置在模型中並同時通電，風扇和格柵分別位於模型1的左下角（風扇位置A ）和右上角（格柵位置C ）。

與單一MOSFET模擬相似，測量MOSFET晶片平均溫度計算MOSFET熱阻。這個模擬中的一個關鍵變數是MOSFET的間距。

不出所料，圖6 （窄間距）和圖7 （寬間距）所示結果表明，間距對於最佳熱控制非常重要。如果增加間距， MOSFET之間氣流更通暢，從而降低MOSFET熱阻，無論使用排風扇（每張圖片的左側）還是吹風扇（每個圖片的右側）。

MOSFET窄間距和寬間距兩種情況下，排風扇的效果都不如吹風扇。

現在，我們在更真實的條件下進行模擬，如圖8所示。注意其中包括額外的IC 、線圈、電感器和其他組件。此外，也要注意風扇和格柵的位置。

這組模擬再次改變風扇和格柵的位置，並計算MOSFET的熱阻。結果如表1所示。

風扇位置A和格柵位置C為兩種風扇工作模式提供最佳整體熱性能。

使用模型2 ，以排風扇模式研究格柵尺寸的效果。分析提供格柵尺寸與機箱模型內放置的六個MOSFET熱阻的相關數據，如圖9左側所示。圖10右側所示結果顯示格柵越大，機殼內整體空間冷卻效果越好。

強制對流將外部冷空氣吸入機箱，而自然對流是隨著熱源熱氣上升，引入冷空氣替換熱氣實現冷卻。請注意，自然對流需要頂部開口，而不是格柵。自然對流的方法較便宜，因為不需要風扇；然而，相較之下，自然對流通常效果較差。

圖11顯示這些仿真的結果。顯然，在所有功耗水準下，強制對流方案溫度更低，具有更好的熱性能。這表明儘管存在相關成本，但風扇仍是熱設計中的明智選擇。

接下來的模擬重點研究在給定機箱寬度下強制對流的結果。圖12顯示兩種佈局：一種是寬機箱，另一種是與風扇寬度相等的窄機箱。

吹風扇和排風扇仿真，圖13總仿真結果。小機殼風扇距離的效果不如大機箱，因為大機殼氣流不受限制。

散熱設計受風扇性能的影響。圖14顯示的模擬佈局採用高、中、低Q （體積氣流）風扇評估風扇性能對四個MOSFET熱阻的影響。

圖15總結模擬結果，不出所料，強力風扇四個晶片的熱阻更低。採用吹風扇的情況下，最靠近風扇的MOSFET熱阻最低。排風扇的情況正好相反，最靠近格柵的MOSFET熱阻最小。這在直覺上是成立的，因為這些MOSFET距離冷空氣最近。

另一種常見MOSFET熱設計方法是使用MOSFET散熱器，散熱器透過加大表面積加快散熱。使用的散熱器分為兩種不同方向：水平（散熱器與PCB位於同一平面）和垂直。評估的六個模型如圖16所示，三個不同的裝置和散熱器方向交叉，採用自然冷卻或強製冷卻方法。

仿真結果如表2所示。自然風冷和強制風冷條件下，散熱器降低熱阻。

機箱散熱器是電力電子設備熱設計的另一種常見方法。在空間有限的情況下，很難給每個MOSFET加散熱器，我們的最終分析考察機箱本身用作散熱器的效果。

在這種情境下，熱接口材料（ TIM ）放在鋁機箱和MOSFET之間提供電氣隔離。配置與三種方法如圖17所示：無散熱器，散熱器連接到所有四個邊緣放置的MOSFET ，機箱散熱器用於四個邊緣放置的MOSFET 。

圖18顯示結果。使用機箱作為散熱器非常有效，但需要考慮機箱材料才能獲得可比較結果。

綜上所有結果，我們可以得出MOSFET系統設計的一些通用準則：

1.    強制對流優於自然對流，因為它能產生更高的氣流速度，從而達到更出色的冷卻效果。

2.    強力風扇對MOSFET平均熱阻產生極大影響。

3.    吹風扇在直冷熱元件方面效率更高，而排風機在需要冷卻整個基板的情況下表現更好。

4.    MOSFET離風扇越近，冷卻效果越好。

5.    MOSFET應放在風扇與格柵之間的通道中，可行的情況下靠近風扇。

6.    大型元件不應直接放在風扇前面，因為它們會影響整個機箱的氣流。

7.    大格柵可以為整個內部空間提供更好的冷卻效果。

8.    使用MOSFET散熱器時，四周沒有遮擋效果最好，在配置方面，最大面積必須暴露在風扇和格柵之間的氣流中。

9.    假設機箱材料散熱特性良好，當MOSFET沿著機殼側面放置時，機箱散熱器最有效。

如果您對熱設計感興趣，您可能也會喜歡

請點選按鈕下載PDF檔案。