制定機箱中功率MOSFET的熱設計指南

對封閉機箱中MOSFET熱行為的詳細模擬可以製定指導方針,以改善MOSFET放置以及使用風扇、格柵和散熱器的系統設計。

簡介

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。

Figure 1: Simulations allow visualization of the relationship between MOSFET placement and thermal performance.
圖1: 模擬可以觀察MOSFET位置與熱性能之間的關係。

第1章:熱模擬條件

受時間和成本的限制,很難開發代表所有可能熱條件的評估板。然而,精心設計的模擬可以深入了解氣流和其他冷卻條件。這種模型具有很強的適應性,可以研究許多不同的條件,並且不涉及評估板成本。

本文將討論封閉機箱中MOSFET熱行為的模擬建模。我們將調查以下因素的影響:

  • 機箱型
  • PCB尺寸
  • MOSFET位置與間距
  • 格柵尺寸
  • 自然對流冷卻與強制對流冷卻
  • MOSFET與機殼散熱器

給出模擬結果,然後基於這些結果給出設計建議。

兩種不同系統模型簡介

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。

兩種機箱模型

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。
Figure 2: Detailed dimensions and device positions for Model 1.
圖2:1型機箱詳細尺寸和裝置位置

Two PCB Models

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。

組件

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。

Figure 3: Example component placement for Model 2.
圖3:模型2組件位置範例

風扇和格柵

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 。

第2章:評估MOSFET位置

2-1:評估單一MOSFET位置

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。

Figure 4: MOSFET, fan, and grill configurations used with Model 1.
圖4:模型1所使用的MOSFET、風扇及格柵配置

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 。

Figure 5: Airflow results for MOSFET, fan, and grill configurations used with Model 1.
圖5:模型1使用的MOSFET、風扇和格柵配置氣流結果

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。

2-2:評估25個MOSFET的位置

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)。

Figure 6: Temperature and airflow distribution for 25 closely spaced MOSFETs with the fan in suction mode (left) and blower mode (right).
圖6:風扇取排氣模式(左)與吹風模式(右)時,25個窄間距MOSFET的溫度與氣流分佈
Figure 7: Temperature and airflow distribution for 25 widely spaced MOSFETs with the fan in suction mode (left) and blower mode (right).
圖7:風扇處於排氣模式(左)和吹風模式(右)時,25個寬間距MOSFET的溫度和氣流分佈

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。

第3章:熱模擬的實際應用

3-1: 熱模擬採用更真實的模型

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。

Figure 8: Placement of components, fan, grill, and MOSFETs in more realistic models.
圖8:更真實的模型中元件、風扇、格柵和MOSFET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。

Table 1: Thermal resistance as a function of chassis layout and blower operation.

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。

3-2: 格柵尺寸對熱性能的影響

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。

Figure 9: Thermal performance comparison of a small and large grill.
圖9:小格柵和大格柵熱性能對比

3-3:自然對流與強迫對流

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。

Figure 10: Simulation models for natural (left) and forced (right) convection.
圖10:自然對流(左)與強制對流(右)模擬模型

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。

Figure 11: MOSFET temperature vs. power for natural and forced convection
圖11:自然對流與強制對流MOSFET溫度與功耗

第4章:各種散熱措施的效果

4-1: 機箱寬度與MOSFET與風扇距離的影響

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。

Figure 12: Models for studying the relationship between chassis width and MOSFET distance from the fan.
圖12:機箱寬度與MOSFET與風扇距離之間關係的研究模型

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。

Figure 13: Distance from the fan related to thermal resistance.
圖13:風扇距離與熱阻的關係

4-2: 熱性能與風量的函數

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。

Figure 14: Model for evaluating fan volumetric airflow (Q)
圖14:風扇體積氣流(Q)評估模型

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。

Figure 15: Comparison of thermal resistance versus airflow for the three fan types.
圖15:三種風扇類型熱阻與氣流對比

4-3: 散熱器的效果

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。

Figure 16: Heatsink and device orientations for natural and forced air cooling simulations.
圖16:自然和強制風冷模擬散熱器和裝置方向

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。

Table 2: MOSFET heatsink simulation results.

4-4: 機殼散熱器改善冷氣效果

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 。

Figure 17: Models for evaluating different heatsink solutions.
圖17:不同散熱器解決方案評估模型

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。

Figure 18: The thermal resistance for different heatsink implementations.
圖18:不同散熱器使用方法產生的熱阻

第5章:總結和指南

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

下載PDF文件

請點選按鈕下載PDF檔案。

開啟新視窗