بسته بندی قدرتمند برای الکترونیک در محیط های شدید

صنعت الکترونیک قدرت مسئول محصولاتی است که توسط میلیاردها نفر استفاده می شود: تلفن های هوشمند، تلویزیون، قطعات خاص خودرو، و حتی اجزای موتورها و اشیاء خانگی. با چنین مجموعه متنوعی از کاربردها، بسیاری از الزامات طراحی در طول ساخت این محصولات در نظر گرفته می شوند، از جمله قدرت و تراکم انرژی، هزینه و ایمنی مشتری. آرکانزاس Power Electronics International (APEI)، یک شرکت مستقر در ایالات متحده، در حال اصلاح طرح‌هایی برای بسته‌بندی نیرو برای کنترل مدیریت حرارتی در دستگاه‌های الکترونیک قدرت، افزایش کارایی و هزینه کمتر است.

طراحی الکترونیک قدرت برای مدیریت حرارتی بهینه

عوامل بسیاری بر عملکرد دستگاه های الکترونیک قدرت تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، شرایط عملیاتی ایده آل ممکن است به محدوده دمایی، سطح ولتاژ و فرکانس کلیدزنی خاصی نیاز داشته باشد که در صورت عدم نگهداری، می تواند مشکلاتی مانند خرابی، افزایش مقاومت، کاهش بازده یا افزایش ولتاژ ایجاد کند.

به همین دلیل است که تیمی در APEI تصمیم گرفتند یک ماژول برق جدید توسعه دهند – بسته ای که شامل اجزای برق، دستگاه های الکترونیکی خنک کننده و اتصال آنها به مدارهای دیگر است – با قابلیت ها و عملکرد مدیریت حرارتی بهبود یافته. بریس مک فرسون، مهندس ارشد، می‌گوید که هدف آن‌ها ایجاد یک بسته قدرتی است که به اندازه کافی انعطاف‌پذیر باشد تا برای بسیاری از برنامه‌ها مورد استفاده قرار گیرد. باید کوچک باشد، پیکربندی آن آسان باشد و اندوکتانس کم با رسانایی حرارتی خوب از خود نشان دهد.

شکل زیر طراحی جدید آنها را نشان می دهد که فقط کمی بزرگتر از یک چهارم ایالات متحده است:

نموداری که تمام قطعات پکیج پاور را نشان می دهد

بسته برق، اجزای جداگانه (سمت چپ) و کل مجموعه (راست) را نشان می دهد.

خنک کردن از گرما: محیط های سخت به مواد پایدار نیاز دارند

این تیم با دو ماده برای مقایسه شروع کرد: نیترید گالیم (GaN) و کاربید سیلیکون (SiC). مزیت این مواد این است که هر دو نیمه هادی هایی با فاصله باند وسیع هستند که می توانند با خیال راحت در فرکانس ها و دماهای بالا استفاده شوند. این بدان معنی است که آنها می توانند در محیط های خشن که در آن اکثر وسایل الکترونیکی تمایل به خرابی دارند، مقاومت کنند. به عنوان مثال، محافظت از وسایل الکترونیکی مورد استفاده در تجهیزات حفاری، که در آن فشار و دما به طور چشمگیری افزایش می یابد، یا ایجاد وسایل الکترونیکی که می توانند از ارسال به سطح زهره جان سالم به در ببرند، چیزی شبیه به یک چالش است.

مک فرسون از نرم افزار COMSOL برای کمک به فرآیند طراحی خود استفاده کرد و پاسخ حرارتی و الکتریکی بسته قدرت جدید را هنگامی که شامل هر یک از مواد انتخابی بود، تجزیه و تحلیل کرد. او هدایت حرارتی (با هدف به حداکثر رساندن آن و کاهش مقاومت حرارتی)، اندوکتانس و اندازه دستگاه را تجزیه و تحلیل کرد.

وی توضیح داد: طراحی برای مقاومت حرارتی کم شامل انتخاب موادی با رسانایی حرارتی بالا، کاهش مسافت طی شده گرما برای خروج از لایه‌ها و بهینه‌سازی ضخامت لایه برای استفاده از گسترش حرارتی است. اینجاست که مدل‌سازی پارامتریک بهترین دوست شماست: می‌توانید جابجایی‌های پارامتریک را تنظیم کنید تا دقیقاً بدانید چه چیزی بیشتر روی سیستم تأثیر می‌گذارد و بهترین مصالحه را در بین عملکرد، پیچیدگی و هزینه به دست آورید.»

نتایج شبیه سازی چگالی جریان در بسته SiC را نشان می دهد

نتایج شبیه‌سازی چگالی جریان را در بسته GaN نشان می‌دهد

نتایج شبیه‌سازی بر روی هندسه پوشانده می‌شود و چگالی جریان را در بسته SiC (سمت چپ) و بسته GaN (راست) نشان می‌دهد. بسته SiC چگالی کم (ایده آل برای جریان های بالاتر)، با بالاترین غلظت در پیوندهای سیم را نمایش می دهد. GaN چگالی بالاتری را نشان می‌دهد، اما منطقه در دسترس بیشتری برای هدایت دارد، که برای اندوکتانس کم ترجیح داده می‌شود.

مک‌فرسون طرح‌های خود را با یک بسته طرح کلی ترانزیستور که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرد، TO-254، با هدف بهبود استانداردهای فعلی صنعت مقایسه کرد. امید او این بود که طراحی جدید APEI بتواند دماهای بسیار بالا – بالای 225 درجه سانتیگراد – را تحمل کند. نتایج شبیه‌سازی نشان داد که هر دو ماژول قدرت APEI مقاومت حرارتی کمتر و اندوکتانس قابل‌توجهی پایین‌تری نسبت به TO نشان می‌دهند. نتایج همچنین نشان داد که آنها در محدوده دمایی مشخص شده با موفقیت عمل می کنند.

ارائه قابلیت های جدید القایی و مدیریت حرارتی

تیم APEI کشف کرد که بهینه سازی اندازه دستگاه و ضخامت صفحه پایه، موثرترین عوامل در کاهش اندوکتانس هر بسته است. او در تلاش برای به حداقل رساندن اندوکتانس و به حداکثر رساندن اتلاف گرما، سطح مقطع را به حداکثر رساند و مسیر جریان را به حداقل رساند. نتایج COMSOL Multiphysics نشان داد که ماژول GaN کمترین اندوکتانس (7.5 نانوهنری) را نشان داد. معلوم شد که SiC بهترین انتخاب برای مواردی است که جریان‌های زیاد و بارگذاری حرارتی وجود دارد و مقادیر زیادی انرژی را در یک منطقه بسیار کوچک پردازش می‌کند.

مقایسه شماتیکی نتایج مقاومت حرارتی در بین موفل های قدرت SiC، TO-254 و GaN
مقایسه مقاومت حرارتی بین ماژول‌های توان TO-254، SiC و GaN بر اساس نتایج COMSOL Multiphysics.

نتایج در APEI

نتیجه؟ دو گزینه بسته منحصر به فرد و قدرتمند که به اندازه کافی انعطاف پذیر هستند تا نیازهای مشتریان متعدد را برطرف کنند. با سوئیچینگ تمیز و سریع به نرمی کار کنید. و می تواند دماهای بالا و فرکانس های مورد نیاز برنامه های کاربردی را تحمل کند.

ماژول های جدید APEI به مراتب از ترانزیستورهای صنعت فعلی پیشی گرفته اند و راه را برای قابلیت های جدید و کاربردهای پیش بینی نشده در زمینه الکترونیک قدرت هموار می کنند.