섀시의 전력 MOSFET에 대한 열 설계 지침 개발

Jul 02, 2023

MOSFET은 전자 제품 어디에나 존재하며 그 성능은 설계의 열 특성에 큰 영향을 미칩니다. 그 영향을 물리적으로 평가하는 것은 어려울 수 있지만 그림 1과 같이 열 흐름을 시뮬레이션하기 위해 Ansys와 같은 회사의 소프트웨어 도구를 사용하여 면밀히 모델링할 수 있습니다.

시간과 비용의 제약으로 인해 가능한 모든 열 조건을 나타내는 평가 보드를 개발하는 것은 어렵습니다. 그러나 잘 설계된 시뮬레이션은 공기 흐름과 추가 냉각 조절 장치에 대한 깊은 통찰력을 제공합니다. 이러한 모델은 적응성이 뛰어나 다양한 조건에 대한 연구를 가능하게 하며 평가 보드와 관련된 비용을 포함하지 않습니다.

이 기사에서는 폐쇄형 섀시에서 MOSFET의 열 동작에 대한 시뮬레이션 모델링에 대해 설명합니다. 우리는 다음의 영향을 조사할 것입니다:

시뮬레이션 결과가 제시되고, 그 결과를 바탕으로 한 설계 권장 사항이 제시됩니다.

이 기사에서는 서로 다른 섀시 치수, PCB 치수 및 구성, 추가 구성 요소 유무로 구성된 두 가지 서로 다른 설계 모델을 살펴보겠습니다.

시뮬레이션에는 두 가지 유형의 섀시 모델이 사용됩니다.

모델 1의 PCB는 4개 층으로 구성된 100 × 180 × 1.6mm입니다. 상단, 하단 및 내부 레이어 트레이스 두께는 모두 35μm입니다.

모델 2의 PCB는 4개 층으로 구성된 125 × 175 × 1.6mm입니다. 이 모델의 상단, 하단 및 내부 레이어 트레이스 두께는 각각 70, 70 및 35μm입니다.

모든 PCB 보드는 FR4로 제작되었으며 트레이스의 구리 비율은 80%로 설정되어 있습니다. 보드 상단에는 솔더 레지스트 레이어가 없으며 시뮬레이션 설정에는 해당 레이어의 효과를 보상하기 위한 방사율만 포함됩니다. 또한 보드에는 스루홀과 열 비아가 없습니다.

MOSFET 모델은 칩 크기 4×4×0.25mm, 리드 두께 0.6mm, 몰드 16×20×4.4mm의 TO-247 패키지를 기반으로 합니다. 분석 시간을 더 효율적으로 최적화하기 위해 MOSFET은 본딩 와이어와 솔더를 생략한 상태에서 몰드, 칩, 리드의 세 부분을 사용하여 모델링되었습니다. 결과는 직사각형 솔리드에 가까운 근사값입니다.

모델 2에는 IC 장치, 인덕터(코일 및 변압기) 및 전해 커패시터도 포함됩니다. 인덕터와 IC 장치는 발열 장치보다는 공기 흐름에 대한 저항으로 모델링됩니다. 이 모델의 일반적인 레이아웃은 그림 3에 나와 있습니다.

표현을 위해 다양한 PQ(압력-체적) 곡선을 통합하여 40 × 40mm 팬이 시뮬레이션에 사용되었습니다.

섀시 벽에 부착된 그릴은 팬을 흡입 팬 또는 송풍 팬으로 사용하여 흡입구 또는 배출구로 구성할 수 있습니다. 그릴의 개구율은 1.0입니다.

이 시뮬레이션은 가장 간단한 사례이며 단일 MOSFET(2W 전력 손실)을 열원으로 사용하는 모델 1을 사용합니다. 다양한 팬 및 그릴 배치와 함께 섀시 내의 다양한 위치에 배치된 단일 MOSFET의 열 동작에 대한 확실한 이해는 나머지 시뮬레이션의 출발점 역할을 합니다.

그림 4는 MOSFET, 그릴, 팬 위치의 다양한 조합을 보여줍니다.

Ansys 소프트웨어를 사용하여 얻은 공기 흐름 결과는 A1, A2, A3, A4 및 A5의 장치 배치에 대해 그림 5에 표시되어 있습니다. 여기서 팬은 A 위치에 배치되고 그릴은 C 위치에 배치됩니다.

이에 대한 MOSFET 열 저항과 나머지 모든 시뮬레이션은 다음 방정식에 따라 계산됩니다.

열 저항 = (평균 시뮬레이션 칩 온도 - 주변 온도) / 전력 손실

장치, 그릴 및 팬 배치의 가능한 모든 조합에 대한 결과에 따르면 팬에서 그릴로 직접 연결되는 경로를 따라 MOSFET을 배치하는 것이 가장 효과적인 접근 방식이라는 것이 분명해졌습니다.

다음으로 모델 1의 팬은 왼쪽 하단(팬 위치 A)에, 그릴은 오른쪽 상단 모서리(그릴 위치 C)에 각각 총 25개의 MOSFET이 모델에 배치되고 동시에 전원이 켜집니다.