通过使用具有顶部冷却功能的 SMD 封装来提高 DC-DC 转换器的性能

本文分析了表面贴装 (SMD) 封装中的硅 MOSFET在热性能方面与底部冷却封装相比在热性能方面的效率，从而降低了热阻和工作温度。它将展示如何降低结温有助于提高功率效率，因为主要硅 MOSFET 参数会因温度变化(如 RDS (on)和 Vth 电平)而发生更平滑的变化，以及降低总导通和开关损耗。

介绍

电力转换产品市场正在迅速现代化，以应对电力生产和管理方式的变化。此外，由于电力不断增加，需要满足具有不同特性和要求的巨大且快速扩展的各种负载。这种现代化正在推动所有阶段的功率转换器重新设计，以满足提高功率密度和功率效率、更好的热管理以及减小重量和尺寸的需求。在某些情况下，转换器需要实现双向性。

DC/DC转换器概述

电源转换器的 DC/DC 级是电源的关键部分。该级将输入恒定电压转换为受控直流输出电压，该电压可以高于或低于输入，具体取决于转换器是降压转换器还是升压转换器。DC/DC 转换器可以是单向的，具有固定的输入和输出级，也可以是双向的，具有可互换的输入和输出。

这些不同的拓扑具有一个共同的特点：它们都在开启时以零电压开关 (ZVS) 运行，以降低开关损耗。

底部和顶部冷却 SMD 封装

MOSFET 和IGBT等功率器件，包括普通硅以及宽带隙碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 器件，采用封装设计，旨在防止潮湿和外部污染，并确保电气隔离。

与通孔相比，现在的市场趋势是表面贴装 (SMD) 封装样式，因为它们允许：

· 更紧凑的解决方案，安装高度更低

· 良好的散热性能

· 增加功率密度

表面贴装封装可分为：

· 底部冷却封装，例如 D 2 PAK 和 TO-LL，旨在通过底部引线框架消散硅芯片产生的热量。这些封装使用 PCB 作为散热器并连接到板上的铜芯和/或通孔。

· 顶部冷却封装(例如 HU3PAK)通过顶部引线框架消散硅芯片产生的热量，再加上放置在封装顶部的特定散热器。

该评估比较了 HU3PAK 顶部冷却封装与 D 2 PAK 和 TO-LL 底部冷却封装在相同工作和热系统条件下的热性能。

功率损耗分析

本节介绍等式 [1-4] 和初步功率损耗。这些功率损耗为 SMD 封装的热建模和分析提供了输入数据。测试车辆是一个 3kW 全桥 LLC 转换器。从等式 1、2、3 和 4 [1] 开始，初级 MOSFET 损耗在五个负载点进行评估：最大功率 (3kW) 的 10%、20%、50%、75% 和 100%。开关损耗、驱动器损耗和二极管损耗是相同的，因为功率损耗模型是在谐振频率下计算它们的。

功率损耗的第一次分析有助于根据结温 (Tj) 找出硅的工作点。D 2 PAK、TO-LL 和 HU3PAK 三种不同封装内的器件是相同的。该器件在 25°C 时的 RDS (on)等于 80 mΩ。

在下一段中，由于封装的结到环境热阻 (RthJA )值不同，热分析将找出所有三种封装的不同结温。

因此，不同的结温会影响 RDS (on)和栅极阈值电压 (VGSth)。

Tj 对 RDS (on)的影响比对 VGSth 的影响大得多。因此，仅根据 Tj 值和不同的 RDS (on)值计算传导损耗。

HU3PAK 的结果证实，当以与其他封装相同的功率水平运行时，这种顶部冷却封装可保持较低的结温。因此，它消耗的功率更少，从而提高了整体功率效率(因为 RDS (on)在较高的结温下会升高。因此，确保较低 Tj 的热效率更高的封装有助于最大限度地减少功率损耗)。

热模拟和分析

本节重点介绍为验证顶部冷却解决方案而执行的热仿真。使用数值有限元方法进行了模拟。这种方法可以评估通过热界面材料 (TIM) 连接到印刷电路板 (PCB) 的功率 MOSFET 的热行为。如上一节所示，模拟中使用的功率损耗来自实际工作条件(轻载和满载的 DC/DC 转换器)。

已经完成了一个模拟基准测试，考虑了三种封装解决方案：D 2 PAK 和 TO-LL 作为底部冷却，HU3PAK 作为顶部之一。本摘要中显示的第一次评估是在稳定状态下进行的。相同的散热器用于模拟，放置在 PCB 热通孔的底部，用于 D 2 PAK 和 TO-LL，并在 HU3PAK 的实验中直接放置在顶部暴露的铜框架上。

此外，具有热通孔、TIM 和边界条件(Tamb=25 °C，热传导系数 (Htc) = 750 W/m 2 K 在散热器表面)的相同 2 层 PCB(2 盎司铜)应用于所有物理模型。

显示了第一次模拟的结果，以预测三个设备在 10%、20%、50%、75% 和 100% 满载时的 Tjmax。表 5 中显示的结果证实了 TO-LL 和 D 2 PAK 的类似行为，而 HU3PAK 的温度较低。满载时温差更明显。

每个负载百分比的温度比较结果表明，D 2 PAK 和 TO-LL 具有等效的热行为，而 HU3PAK 在相同的负载点达到较低的温度。

正如预期的那样，HU3PAK 更好的热性能主要归功于顶部冷却。卓越的热性能在满载时最为明显。

最后，为每个包提取 Rth j-amb，这证实了 HU3PAK 的性能优于其他两个包。

模型验证

最后一步通过比较仿真和实验结果 [2] 来验证模型。

显示的设备是 TO-LL。它安装在与上一段中进行的模拟相同的 PCB 上，关于边界条件，考虑了 PCB 下侧的绝热行为和封装和 PCB 上表面的传热系数 (Htc) 为 11 W/m 2 K。

该模型以小于 1.5% 的误差幅度得到验证，这表明模拟和实验测量之间的一致性很好。

结论

HU3PAK 封装具有顶部冷却能力，与其他 SMD 封装(如 D 2 PAK 和 TO-LL)相比，具有许多优势。当与相同的散热器尺寸和 PCB 热特性(铜重量)一起使用时，由于其增加的散热能力，它允许更大的功率密度。

与 D 2 PAK 和 TO-LL中使用的更常见的底部冷却方法相比，HU3PAK 将 Rth j-amb降低了高达 18% 。

还要记住，对于所考虑的所有三个封装，模拟都是使用相同的冷却系统进行的。但是，通过优化冷却系统，可以进一步提高 HU3PAK 的热性能。