задать вопрос консультанту online
Логотип компании ЭЛТЕХ

ISOPLUS-SMPD корпус для поверхностного монтажа от IXYS для более мощных и эффективных устройств

23.01.2013

Корпорация IXYS, лидер в области силовых полупроводниковых приборов и интегральных схем для преобразования энергии и схем управления электроприводом, постоянно стремится к повышению эффективности выпускаемых компонентов и уменьшению габаритных размеров. Компоненты для поверхностного монтажа выпускаются в D2Pak либо D3Pak. Данные корпуса имеют меньшие габариты и вес, по сравнению с ТО-220, ТО-264 и другими корпусами.

Когда требуется использование радиатора, разработчики сталкиваются с проблемой обеспечения гальванической развязки между корпусом силового компонента и радиатором. Корпус ISOPLUS-SMPD  обеспечивает гальваническую развязку и обладает следующими техническими особенностями:

  1. Гальваническая изоляция между корпусом и радиатором до 4 кВ;
  2. Низкое тепловое сопротивление -  0,23 °C/Вт;
  3. Уменьшены паразитные емкости и индуктивности благодаря коротким проводникам;
  4. Малые габариты корпуса -  25мм ×33мм × 5,5 мм;
  5. Малый вес – 8 г.;
  6. Рабочая температура кристалла от -55 °С до +175 °С;

Тепловое сопротивление у изолированного SMPD корпуса меньше в несколько раз по сравнению с корпусами ТО-220, ТО-264 и т.д. Использование изолированного SMPD корпуса упрощает монтаж радиатора. Корпус крепится непосредственно к радиатору. Существует 2 разновидности изолированных корпусов – SMPD-X и SMPD-B. На рисунке 1 и 2 изображены корпуса SMPD с индексами –В и –Х соответственно. 

Рис 1. – Внешний вид корпуса SMPD-B

Внешний вид корпуса SMPD-X

Рис. 2 – Внешний вид корпуса SMPD-X

Кристалл в корпусе SMPD-X рассчитан на большие мощности и как правило в таких корпусах выпускаются мощные дискретные компоненты (IGBT,MOSFET), например, MMIX1T600N04T2 – MOSFET транзистор с током стока – 600 А и напряжением сток-исток 40 В.

Кристалл в корпусе с индексом –B позволяет создавать компоненты меньшей мощности, но более сложной конфигурации. Например MMIX4G20N250  - полный мост на IGBT с током коллектора 23 А и напряжением коллектор эмиттер 2500 В.

Габаритные размеры для корпусов SMPD-B и SMPD-X  представлены на рисунке 3.

Габаритные размеры корпуса SMPD-B и SMPD-X

Рис 3. – Габаритные размеры корпуса SMPD-B и SMPD-X.

Для достижения более эффективного тепловыделения, нужно учесть несколько правил по креплению компонента к радиатору. Следуя этим правилам можно свести к минимуму тепловое сопротивление.

Термопаста

Использование термопасты обеспечивает очень хороший контакт между основанием устройства и поверхностью радиатора. Это обеспечивает очень низкое значение теплового сопротивления (подложка - радиатор). Рекомендуется использовать термопасту Dow Corning 340 (DC340). Так как компоненты в корпусе SMPD имеют внутреннюю изоляцию (DCB), нет необходимости дополнительно использовать изолирующие материалы, потому что данные материалы, как правило, имеют большее тепловое сопротивление, чем вышеуказанная внутренняя изоляция.

Правила нанесения термопасты:

  • Термопаста должна равномерно наноситься на основание радиатора и корпус компонента;
  • Толщина слоя должна быть приблизительно от 60 до 80 мкм.

Радиатор

В целях обеспечения очень низкого значения теплового сопротивления, радиатор должен быть ровным и чистым и соответствовать следующим техническим требованиям:

  • Неровности должны быть меньше 50 мкм на участке 100 мм;
  • Шероховатости должны быть менее 10 мкм.

При установке компонента на радиатор, неравномерное давление на поверхность компонента может повредить его или ухудшить его характеристики. За счет малой площади корпуса требуются радиаторы с маленьким основанием, что снижает вес и стоимость готового устройства. Крепеж радиатора осуществляется при помощи винтов, прижимающих корпус к радиатору. На рисунке 4 представлен вариант крепления силового компонента на радиатор.

Крепление радиатора к силовому компоненту

Рис. 4 – Крепление радиатора к силовому компоненту

Монтажный винты

Рекомендуемые для крепления винты – М3,5 либо 6-32 с пружинными шайбами. Пружинные шайбы помогут равномерно распределить давление на поверхности силового компонента. Минимальная длина винта 1,9 см для винта М3,5 либо 1,58 см для винта 6-32. Рекомендуемое усилие при установке SMPD корпуса на радиатор взятые из тех.документации равны 50 ... 200 Ньютон/11 ... 45 Фунт. Для того, что бы вычислить  крутящий момент можно воспользоваться формулой 1:

                                       

 

 

где F – усилие , Н;

P- шаг резьбы, м;

 М – крутящий момент для винта, Н*м.

Для винта М3,5 шаг резьбы 0,60 мм.

Для винта 6-32 шаг резьбы 0,794 мм.

Например:

Для F=50 Н, М= 50*0,000794/2π= 0,0063 Н*м;

Для F=100 Н, М= 100*0,000794/2π= 0,0126 Н*м;

Для F=200 Н, М= 200*0,000794/2π= 0,0253 Н*м.

Монтаж на радиатор

Инструкции по монтажу для разных радиаторов будут различаться. Рассмотрим процесс монтажа компонента на радиатор фирмы AAVID Thermalloy P/N: 62230 имеющий тепловое сопротивление 5,26 С/Вт. Габариты указаны на рисунке 5.

габариты радиатора Рис. 5. Габариты радиатора AAVID Thermalloy P/N: 62230

Рекомендации по установке:

  1. Просверлить отверстия в основании радиатора на расстоянии 30,48 мм друг от друга. Глубина отверстий для AAVID Thermalloy P / N: 62230 должна быть 5-6 мм (8,89 мм максимальная глубина).
  2. Подготовить основание радиатора. Поверхность должна быть чистой и без царапин.
  3. Нанести термопасту на поверхность радиатора и на основание компонента тонким слоем. Идеальные результаты достигаются при толщине слоя от 60 мкм до 80 мкм.
  4. Рекомендуемые монтажные винты M3.5 или 6-32 с пружинной шайбой.
  5. При креплении необходимо использовать моментный ключ, чтобы контролировать усилие. Усилие не должно превышать значений приведенных в технической документации.
  6. Если площадь радиатора гораздо больше площади корпуса компонента, то для предотвращения повреждений выводов компонента придется использовать дополнительную поддержку между радиатором и печатной платой.

 

 

 

Расчет теплового сопротивления радиатора

Для повышения рассеиваемой мощности SMPD компонент должен быть установлен на радиатор. Для определения размера радиатора важно рассчитать рассеиваемую мощность компонента. Параметры для определения рассеиваемой мощности берутся из технической документации на компонент. Максимальная частота переключения компонента рассчитывается по формуле:

                                             

 

Где PD- максимальная рассеиваемая мощность компонента, PC– потери мощности на проводимость, f(s)(max) максимальная частота переключения,  Esw- потери энергии на переключение.

Максимальная рассеиваемая мощность компонента определяется максимальной рабочей температурой кристалла, температурой окружающей среды и тепловым сопротивлением.

                    

 

где Pc, total- потери проводимости, Psw, total– потери на переключение.

Максимальное значение температуры перехода  Tj, max равно 150 С. Данная температура может негативно повлиять на надежность устройства. По этой причине проектировщик должен выбирать  Tj, max ниже, чем заявлено в тех. документации. Рекомендуется брать значения Tj, max в диапазоне 100-125 С. Это общие формулы для расчета рассеиваемой мощности для MOSFET либо IGBT.

Далее произведем расчет потерь мощности на проводимость и переключение для MOSFET транзистора.

Потери проводимости рассчитываются по формуле 4:

                                                 

 

Потери переключения рассчитываются по формуле 5:

                                                  

                                        

                 

 

 

 

где:  I0 коммутируемый ток;

Usw– напряжение переключения;

Ig- ток затвора;

Ug- напряжение на затворе;

U off напряжение в закрытом состоянии;

fs (max)- максимальная частота коммутации.

Так же и для IGBT:

Потери мощности на проводимость рассчитываются по формуле 9:

                                        

 

Потери мощности на переключение рассчитываются по формуле 10 :

                                     .

 

 

Данные для  Esw-on и Esw-off берутся из документации на компонент. Esw-gate рассчитывает как: QG * Ug, где - QG заряд затвора; Ug,- напряжение, приложенное к затвору.

Для того, что бы определить P c, total и Pcw,total в модуле, нужно умножить Pc и Psw на количество используемых элементов в схеме. Теперь можно воспользоваться формулой для определения PD

После определения P можно выразить PthjA из формулы 3, и воспользовавшись формулой 12 определить тепловое сопротивление радиатора RthJSH-A

 

где:

RthJA- суммарное тепловое сопротивление кристалл – окружающая среда. 

RthJC- тепловое сопротивление корпуса.

RthC-CH  тепловое сопротивление между корпусом и радиатором.

RthJSH-A -тепловое сопротивление радиатора.

Данные для  RthJC и RthC-SH (Rcs) можно взять из технической документации на компонент. Так как между корпусом и радиатором используется термопаста, то следует добавить тепловое сопротивление термопасты – 0,2 К/Вт. 

После получения значения теплового сопротивления радиатора следует выбрать подходящий радиатор исходя из площади корпуса SMPD и значения теплового сопротивления радиатора.

Компания IXYS выпускает компоненты с изолированными корпусами в следующих конфигурациях для:

Диодов:

 

DSA120X150LB

 

Два диода в одном корпусе

DLA100B1200LB

 

1-фазный выпрямительный мост

1- выпрямительный мост

DMA90U1800LB

DHG60U1200LB

 

3- фазный выпрямительный мост

MOSFET:

 

MMIX1T600N04T2

MMIX1T550N055T2

MMIX1F520N075T2

MMIX1F420N10T

MMIX1F360N15T2

MMIX1F230N20T

MMIX1F180N25T

MMIX1F160N30T

MMIX1F210N30P3

MMIX1F132N50P3

MMIX1F44N100Q3

MMIX1F40N110P

Дискретный

 

 

MKE38P600LB

MKE38P600TLB

Полумост

MKE38RK600DFELB

 

Повышающий преобразователь

IGBT:

MMIX1G320N60B3

MMIX1G75N250

IXA90IF650LB

IXA68IF650LB

IXA60IF1200TDHGLB

IXA80IF1200DHGLB

MMIX1X200N60B3

 

Дискретный

IGK26PF600TLB

IXA45PF650LB

IXA68PF650LB

IXA27PF650LB

IXA30PG1200DHGLB

IXA40PF1200TDHGLB

IXA20PG1200DHGLB

IXA40PG1200DHGLB

 

Полумост

IXA40RG1200DHGLB

IXA20RG1200DHGLB

IXA30RG1200DHGLB

Повышающий преобразователь

MMIX4G20N250

Мостовая схема

Получить более подробную информацию или заказать образцы можно обратившись в один из офисов компании ЭЛТЕХ или написав письмо по электронной почте