№11 / 2018 / статья 6

Новые корпусные исполнения силовых компонентов для современных источников питания

Стефан Праймель (Infineon Technologies)

В статье поясняется, каким образом развитие корпусных технологий силовых полупроводниковых компонентов, в частности – производства Infineon, – применяемых в импульсных источниках питания, помогает в достижении требуемых параметров производительности ИП.

Всем электронным устройствам для работы необходим надежный и эффективный источник питания (ИП). По мере усложнения электроники требования, предъявляемые к источникам питания, становятся все более жесткими. Эти требования касаются таких вопросов как увеличение мощности, повышение эффективности, снижение габаритов и так далее. Из-за постоянного роста стоимости электричества повышение КПД становится наиболее актуальной задачей для разработчиков ИП.

Наиболее популярные топологии источников питания были разработаны достаточно давно. Поэтому сейчас при создании ИП основное внимание уделяется выбору полупроводниковых силовых компонентов, которые во многом определяют характеристики и производительность импульсных источников питания. Значительные денежные средства были потрачены на разработку силовых компонентов, способных эффективнее работать на повышенных частотах и позволяющих разработчикам создавать ИП с заданными характеристиками.

К сожалению, развитие корпусных исполнений для МОП-транзисторов не всегда успевает за развитием полупроводниковых технологий. При этом многие силовые компоненты по-прежнему предназначены для монтажа в отверстия (THD), что имеет как преимущества, так и недостатки.

Для улучшения параметров ИП потребовалось приложить значительные усилия, направленные на развитие полупроводниковых технологий. Благодаря уменьшению сопротивления открытого канала, снижению заряда затвора, уменьшению уровня потерь при переключениях новейшие МОП-транзисторы совместно с диодами Шоттки, выполненными по улучшенной технологии CoolSiC™, позволяют достигать требуемых характеристик ИП в приложениях как с жесткой, так и с мягкой коммутацией силового ключа.

До недавнего времени силовые компоненты выпускались преимущественно в корпусах, предназначенных для монтажа в отверстия, например, TO-220 и TO-247. Эти корпуса имеют существенные недостатки, которые особенно сильно проявляются при создании современных импульсных источников питания. Длинные выводы характеризуются значительной паразитной индуктивностью, которая ограничивает максимальную частоту переключений, что в свою очередь приводит к необходимости использования более дорогих и громоздких магнитных элементов. Кроме того, большая часть оставшихся электронных компонентов предназначена для поверхностного монтажа. Это значит, что для запайки выводных силовых транзисторов необходимо выделять отдельный производственный процесс, что, конечно же, увеличивает сложность и стоимость производства.

Существующие в настоящее время SMD-компоненты имеют ряд очевидных преимуществ, в частности – короткие выводы и простой монтаж. Однако у них есть проблемы, связанные с эффективностью теплоотвода. Отвод тепла от SMD-элементов происходит по нескольким направлениям: через печатную плату, через корпус или через выводы. Для многих приложений, таких, например, как корректоры коэффициента мощности (ККМ), этого недостаточно. По этой же причине TO-220 и TO-247 остаются наиболее распространенными корпусами для транзисторов, используемых в импульсных источниках высокой мощности.

Охлаждение SMD-компонентов с верхней стороны

Как известно, при нагревании теплый воздух поднимается вверх. В то же время SMD-компоненты большую часть тепла передают печатной плате через нижнюю часть корпуса. Если использовать SMD-компоненты, способные рассеивать тепло через верхнюю часть корпуса, то качество теплоотвода будет значительно выше.

Новое корпусное исполнение Double DPAK (DDPAK) от Infineon Technologies для силовых компонентов отличается тем, что предполагает отвод тепла через верхнюю поверхность корпуса (рисунок 1). DDPAK оптимизирован для приложений с высокой мощностью, высоким напряжением и высокой надежностью. Он подходит как для МОП-транзисторов, так и для SiC-диодов. DDPAK создает новое направление развития интеграции силовых систем.

Рис. 1. Технология DDPAK предполагает охлаждение через верхнюю часть корпуса

Рис. 1. Технология DDPAK предполагает охлаждение через верхнюю часть корпуса

МОП-транзисторы с корпусом DDPAK имеют пять выводов стока, три вывода истока, один вывод затвора. Еще один дополнительный вывод истока необходим для формирования управляющего сигнала «затвор-исток». Такое четырехконтактное решение возможно реализовать и с помощью стандартных THD-корпусов, что обеспечит чистый управляющий сигнал и, следовательно, малый уровень коммутационных потерь. Однако выводные компоненты с монтажом в отверстия занимают много места, и это по-прежнему остается большой проблемой.

Новый SMD-корпус также обеспечивает снижение паразитной индуктивности выводов на 50%.

По своим габаритам DDPAK меньше чем TO-220, что позволяет экономить место и обеспечивать большую плотность мощности. Этому также способствует снижение теплового сопротивления «кристалл-корпус» на 18% (таблица 1).

Таблица 1. DDPAK превосходит TO-220 по ряду параметров

Параметр TO220 DDPAK Преимущество
Высота, мм 19,4 2,53 Уменьшение высоты на 86%
Толщина, мм 4,75 2,53 Уменьшение толщины на 46%
Площадь теплоотвода, мм² 118 56 Уменьшение площади теплоотвода на 50%
Тепловое сопротивление Rthjc, °С/Вт 1,83 1,65 Снижение Rthjc на 10%
Индуктивность, нГн 8 4 Снижение индуктивности на 50%

Меньшая толщина корпуса отвечает современным конструктивным требованиям и позволяет создавать чрезвычайно тонкие устройства.

Корпус DDPAK не находится в непосредственном контакте с поверхностью печатной платы (зазор составляет примерно 150 мкм), что обеспечивает разработчикам дополнительную гибкость при трассировке.

Многие стандарты безопасности, например, Underwriters Laboratories (UL), ограничивают максимальную рабочую температуру стандартной печатной платы из стеклотекстолита FR4 (рисунок 2). Таким образом, если полупроводниковый силовой компонент (МОП-транзистор или SiC-диод) находится в прямом контакте с печатной платой, то это автоматически приводит к ограничению его рабочей температуры, а следовательно – и к ограничению мощности источника питания.

Рис. 2. Нижняя часть корпуса DDPAK отделена от поверхности печатной платы, что обеспечивает разработчикам дополнительную гибкость

Рис. 2. Нижняя часть корпуса DDPAK отделена от поверхности печатной платы, что обеспечивает разработчикам дополнительную гибкость

Одна из проблем, возникающих при использовании SMD-корпусов, заключается в разности коэффициентов теплового расширения корпуса и печатной платы. По этой причине стандарт IPC9701 даже предполагает проведение отдельного испытания TCOB (Temperature Cycling On Board).

Выводы DDPAK обладают пружинными свойствами, что позволяет им выступать в качестве буфера между корпусом силового компонента и печатной платой. Это новшество полностью исключает отказы, связанные с различиями в температурных коэффициентах расширения, усталостью припоя и внутренними дефектами корпуса, возникающими из-за механических напряжений. После 200 циклов выполнения теста TCOB не было зафиксировано ни одного отказа DDPAK. Такие результаты соответствуют требованиям автомобильных стандартов, несмотря на то, что корпус разрабатывался в первую очередь для промышленных приложений.

Отвод тепла от DDPAK

Сам по себе DDPAK обеспечивает отличные показатели теплового сопротивления, но в реальных приложениях на верхней части корпуса потребуется разместить дополнительный радиатор, который будет рассеивать выделяемое компонентом тепло в окружающее пространство (рисунок 3).

Выбор радиатора зависит от особенностей конкретного приложения. При этом наиболее важными факторами обычно становятся объем тепла, который необходимо рассеять, и доступное пространство внутри корпуса прибора. DDPAK предполагает несколько вариантов крепления радиатора, включая прижимные конструкции, клеящие термопасты или даже прямую пайку (рисунок 3). Окончательный выбор типа крепления выполняется с учетом требований конкретного устройства. Поскольку поверхности радиатора и тепловой площадки корпуса DDPAK не являются идеально гладкими, то для обеспечения хорошего теплового контакта рекомендуется использовать какой-либо термоинтерфейс (термопрокладки или термопасты).

Рис. 3. Существует несколько вариантов размещения радиаторов для DDPAK

Рис. 3. Существует несколько вариантов размещения радиаторов для DDPAK

Практический пример: блок питания 1600 Вт для сервера стандарта Titanium

Чтобы проиллюстрировать эффективность DDPAK, рассмотрим пример реального источника питания мощностью 1600 Вт для сервера Titanium (таблица 2).

Таблица 2. Требования к источнику питания для сервера Titanium

Параметры Значение
Входное напряжение, В AC 176…265
Выходное напряжение, В/ток, А 12,2/132
Эффективность КПД более 96% при нагрузке 50%
Класс ЭМИ Class B
Коэффициент нелинейных искажений <10% при нагрузке от 20%
Надежность Соответствует PLD
Плотность мощности Форм-фактор 1U 55 Вт/дюйм3
Наименования IPDD60R050G7
IPDD60R150G7
IDDD08G65C6
Размер платы ДxШxВ, мм 193x70x44

Источник питания состоит из нескольких основных блоков: входного фильтра, AC/DC-преобразователя, платы управления и вторичного питания, DC/DC-преобразователя. Для охлаждения используется традиционный вентилятор. Воздушный поток, создаваемый вентилятором, направлен на печатную плату, на которой размещены силовые DDPAK-компоненты.

На плате располагается корректор коэффициента мощности и полумостовой LLC-преобразователь, обеспечивающий мощность до 1600 Вт при работе от сети 230 В AC. На рисунке 4 показана конструкция блока питания. Рассматриваемый ИП соответствует требованиям стандарта 80 PLUS® Titanium по уровню КПД при нагрузке 50%, и превосходит требования стандарта при нагрузке 10%, 20% и 100%.

Рис. 4. Компоновка демонстрационного источника питания 1600 Вт

Рис. 4. Компоновка демонстрационного источника питания 1600 Вт

Заключение

Процесс разработки импульсных источников питания достаточно  сложен. К ИП предъявляются все более жесткие требования. От них ждут увеличения мощности и повышения эффективности. При этом если полупроводниковые технологии стремительно движутся вперед, то развитие корпусных исполнений не всегда отвечает современным требованиям. Например, для силовых компонентов до сих пор наиболее популярными остаются корпуса, предполагающие монтаж в отверстия.

Корпус DDPAK производства компании Infineon Technologies обеспечивает выполнение самых жестких требований, предъявляемых к современным приложениям. Благодаря отводу тепла через верхнюю часть корпуса тепловые характеристики DDPAK оказываются значительно лучше. В то же время скорость переключения силовых транзисторов удается поднять на 50% за счет уменьшения паразитной индуктивности.

Инновационная конструкция DDPAK исключает контакт нижней части корпуса с печатной платой. Выводы корпуса выступают в качестве буфера и позволяют исключить возможность любых потенциальных сбоев, связанных с разницей в температурных коэффициентах расширения.

В сочетании с новейшими кремниевыми полупроводниковыми технологиями, такими как CoolMOS™ G7 и CoolSiC™ G6, DDPAK позволяет силовым компонентам сделать большой шаг вперед.

Ознакомиться с подробными техническими данными по корпусу DDPAK можно в специальном руководстве по применению.

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее