监控大功率分立器件的热管理用解决方案

大功率分立器件热管理的重要性在于，所有电子设备和电路都会产生过多的热量，因此需要热管理来提高可靠性并防止过早失效。大多数最新一代汽车，特别是混合动力汽车 （HEV） 和电动汽车 （EV），都配备了大量电力电子设备，包括逆变器和直流 DC-DC 转换器。为了减少对化石燃料的依赖并提高车辆效率，功率离散的监管起着至关重要的作用。

可用于热管理的可用解决方案旨在最大限度地提高热效率，最大限度地减少重量和成本，并减小所用组件的尺寸。越来越多的最新一代车辆及其电子元件和设备已经产生了与热量形式的功耗相关的严重问题。印刷电路板 （PCB） 的形状和尺寸变得越来越复杂，连接数量庞大，而且面积不断缩小，这加剧了这种情况。

有效散热规则

从一开始就必须选择具有高效率和低功率损耗的功率分立器件。这些电子元件根据环境条件将吸收的功率转化为热量，产生的温度必须散发热量。当满足以下两个条件时，可以获得高散热效率：

电子元件与周围环境存在较大温差；

电子元件可以通过较大的表面积与空气进行热交换。

第一个要求可以通过选择具有高能效和低功率损耗的组件来满足，这些组件将能够在高温下运行且散热量非常低。第二个要求通常是通过直接在功率分立器件上或在其附近应用合适的散热器或热交换器来满足。通过强制气流通过特殊风扇，可以进一步改善能量耗散。

DC-DC 转换器广泛用于电动汽车和混合动力汽车的电源电路中，具有高转换效率和低功率损耗的特点。然而，封装小型化的增长趋势大大减少了组件与空气之间的热交换表面。这使得必须引入不同的解决方案，例如用于基板热粘合的裸露焊盘 （EP）。EP 甚至允许小型电子元件有效散热。此外，靠近器件封装的 PCB 的大表面积用于改善热辐射。

为了使热管理有效，必须确保吸收最大功率的组件的结温不超过数据表中指定的最大值。从设计的角度来看，遵循一些特定的规则可以获得高散热。

图 1：安装在四层 PCB 上的 IC

如图 1 所示，通过将裸露焊盘直接焊接在 PCB 铜接地平面上并插入热通孔以将热量从内部接地平面转移到电路板边缘，可以获得出色的结果。PCB 走线的厚度也必须尽可能地减小，以达到散热量。放置在 PCB 相对面上的接地层必须起到散热器的作用，因此，它们不能出现中断。此外，必须避免与热流方向垂直的走线，因为它们会导致阻抗增加并产生热点。

功率分立器件

氮化镓材料 （GaN） 使高频电源转换器设计具有更高的功率密度、更小的尺寸，并且由于卓越的开关特性和没有反向恢复损耗而重量轻。以下是可用的 GaN 投诉热管理产品：

Texas Instruments LMG5200 是一款 80V、10A 氮化镓 （GaN） 半桥功率级，适用于实现高效热效率的 DC-DC 转换器。该器件是需要以小尺寸进行高频、高效率操作的应用的理想解决方案。与 TPS53632G 控制器一起使用时，LMG5200 可实现从 48V 到负载点电压 （0.5-1.5V） 的直接转换。

Infineon Technologies IMZ120R045M1 是基于碳化硅的 1200V、45mΩ MOSFET，采用 TO247-4 封装，采用最先进的沟槽半导体工艺，经过优化以将性能与可靠性相结合。与传统的基于硅 （Si） 的开关（如 IGBT 和 MOSFET）相比，碳化硅 MOSFET 具有多项优势，包括低栅极电荷、器件电容、内部体二极管无反向恢复损耗、与温度无关的低开关损耗和阈值 -自由通态特性。

CoolSiC™ MOSFET 是功率因数校正 （PFC） 电路、双向拓扑和 DC-DC 转换器的理想选择。

安森美半导体的 NCP51705 是一款驱动 IC，主要设计用于驱动 SiC MOSFET 晶体管。为了实现尽可能低的传导损耗，驱动器能够向 SiC MOSFET 器件提供最大允许栅极电压。通过在开启和关闭期间提供高峰值电流，开关损耗也被最小化。为了提高可靠性、dV/dt 抗扰度和更快的关断速度，NCP51705可以使用其板载电荷泵来生成用户可选择的负电压轨。该器件包括保护功能，例如针对偏置电源的欠压锁定监控和基于驱动器电路结温的热关断。

如果器件在高温条件下运行，则通过从裸露焊盘下方到另一层的分布来实现热管理，以尽可能降低热阻。应用包括 SiC MOSFET 驱动器、逆变器、电机驱动器、PFC 和 DC-DC 转换器。

审核编辑：郭婷