Desenvolvimento de diretrizes de projeto térmico para MOSFETs de potência em um chassi

Jul 02, 2023

Os MOSFETs são onipresentes na eletrônica e seu desempenho impacta significativamente as características térmicas de um projeto. Avaliar fisicamente esse impacto pode ser desafiador, mas pode ser modelado de perto usando ferramentas de software de empresas como a Ansys para simular o fluxo térmico, conforme mostrado na Figura 1.

É difícil desenvolver painéis de avaliação que representem todas as condições térmicas possíveis devido a restrições de tempo e custos. Simulações bem projetadas, no entanto, fornecem informações profundas sobre o fluxo de ar e acomodações de resfriamento adicionais. Esses modelos são altamente adaptáveis, permitindo pesquisas em diversas condições, e não envolvem os custos associados aos conselhos de avaliação.

Este artigo discutirá a modelagem de simulação do comportamento térmico de MOSFETs em chassis fechado. Investigaremos o impacto de:

Os resultados das simulações são apresentados, seguidos de recomendações de projeto baseadas nessas descobertas.

Neste artigo, examinaremos dois modelos de design diferentes que consistem em diferentes dimensões de chassi, dimensões e construção de PCB, e com e sem componentes adicionais.

Dois tipos de modelos de chassis são usados ​​para a simulação:

A PCB do Modelo 1 tem 100 × 180 × 1,6 mm com quatro camadas. As espessuras dos traços das camadas superior, inferior e interna são todas de 35 μm.

A PCB do Modelo 2 tem 125 × 175 × 1,6 mm com quatro camadas. As espessuras dos traços das camadas superior, inferior e interna para este modelo são 70, 70 e 35 μm, respectivamente.

Observe que todas as placas PCB são feitas de FR4 e a porcentagem de cobre para os traços é definida em 80%. As placas não possuem uma camada de resistência à solda na parte superior e as configurações de simulação incluem apenas emissividade para compensar o efeito dessa camada. Além disso, as placas não possuem furos passantes e vias térmicas.

O modelo para os MOSFETs é baseado no pacote TO-247 com tamanho de chip de 4 × 4 × 0,25 mm, espessura de chumbo de 0,6 mm e molde de 16 × 20 × 4,4 mm. Para otimizar melhor o tempo de análise, os MOSFETs são modelados usando três partes – molde, chip e chumbo – com os fios de ligação e a solda omitidos. O resultado é uma grande aproximação a um sólido retangular.

O Modelo 2 também inclui dispositivos IC, indutores (bobinas e transformadores) e capacitores eletrolíticos. Os indutores e dispositivos IC são modelados como resistência ao fluxo de ar, em vez de dispositivos geradores de calor. Um layout típico deste modelo é mostrado na Figura 3.

Uma ventoinha de 40 × 40 mm é usada na simulação, incorporando várias curvas PQ (pressão-volume) para representação.

A grelha, fixada na parede do chassi, pode ser configurada como entrada ou saída utilizando o ventilador como ventoinha de sucção ou soprador. Observe que a grelha tem uma taxa de abertura de 1,0.

Esta simulação é o caso mais simples e usa o Modelo 1 com um único MOSFET (dissipação de potência de 2 W) como fonte de calor. Uma sólida compreensão do comportamento térmico de um único MOSFET colocado em várias posições dentro do chassi, em conjunto com diferentes posicionamentos de ventoinha e grade, serve como ponto de partida para as demais simulações.

A Figura 4 exibe as várias combinações de posições de MOSFET, grade e ventilador.

Os resultados do fluxo de ar obtidos usando o software Ansys são mostrados na Figura 5 para posicionamentos de dispositivos em A1, A2, A3, A4 e A5. Aqui, o ventilador é colocado na posição A e a grelha na posição C.

A resistência térmica do MOSFET para esta e todas as simulações restantes é calculada de acordo com a seguinte equação:

Resistência térmica = (temperatura média simulada do chip – temperatura ambiente) / dissipação de energia

De acordo com os resultados para todas as combinações possíveis de posicionamento do dispositivo, grelha e ventilador, torna-se evidente que posicionar um MOSFET ao longo do caminho que vai diretamente do ventilador à grelha é a abordagem mais eficaz.

Em seguida, um total de 25 MOSFETs são colocados no modelo e ligados simultaneamente, com o ventilador na parte inferior esquerda (ventilador posição A) e a grade no canto superior direito (posição da grade C) do Modelo 1, respectivamente.