為回應電力生產和管理方式的變化，電力轉換產品市場正在迅速現代化。此外，電力正在增加，以滿足各種不同具體和要求的巨大及快速擴展的負載。這種現代化正在推動所有階段的功率轉換器的重新設計，以滿足提高功率密度和功率效率、更好的熱管理，以及減輕重量和尺寸的需求。在某些情況下，轉換器需要實現雙向性。

DC/DC轉換器概述

功率轉換器的DC/DC是電源的關鍵組成部分，它將輸入的恆定直流電壓轉換成受控的DC輸出電壓，而輸出電壓值可以高於或低於輸入電壓，具體取決於轉換器是降壓轉換器還是升壓轉換器。DC/DC轉換器可以是具有固定輸入和輸出的單向轉換器，也可以是輸入和輸出可互換的雙向轉換器。

圖1中這些不同的拓撲結構卻有一個共同特點，亦即接通時均採用零電壓開關(ZVS)操作，目的是減少開關損耗。

圖1：DC-DC轉換器拓撲架構：(a)單向半橋LCC；(b)全橋相移單向轉換器；(c)雙路有源橋組成的雙向轉換器；(d) CLLLC，雙向轉換器。

底部和頂部冷卻的SMD封裝

如MOSFET和IGBT，包括普通半導體，以及寬能隙碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)元件這類功率元件，所採用的封裝都要抗濕度和外部污染，並確保電氣隔離。

與通孔安裝相比，現在的市場趨勢是表面黏貼(SMD)，因為其具有：

．更緊湊的解決方案，安裝高度更低；

．良好的熱性能；

．更高的功率密度。

SMD封裝可分為：

．底部冷卻式(如D²PAK和TO-LL)封裝，透過底部引線框架散去半導體管芯產生的熱量。這些封裝利用PCB作為散熱片，並連接到板中的銅塊和/或通孔。

．頂部冷卻式封裝(如HU3PAK)透過頂部引線框架連接到位於封裝頂部的特定散熱片，對半導體管芯產生的熱量進行散熱。

本文在相同工作和熱系統條件下，對圖2中的HU3PAK頂部冷卻與D²PAK和TO-LL底部冷卻的熱性能進行了比較。

圖2：3款不同封裝示意圖，左：D²PAK，中：TO-LL，右：HU3PAK。

表1：PCB上不同封裝尺寸及佔位面積。

功耗分析

表2提供了方程式(1~4)和由此所得到的初步功耗，為SMD封裝的熱建模和分析提供了輸入資料，測試工具為3kW全橋LLC轉換器。從方程式(1)、(2)、(3)和(4)開始，在最大功率(3kW)的10%、20%、50%、75%和100%這五個負載點上評估初級MOSFET損耗。

表2：不同負載點的MOSFET功耗資料。

從表2中可見，不同負載點的開關損耗、驅動器損耗和二極體損耗相同，這是因為功耗模型都是在諧振頻率上進行計算所致。

功耗的第一次分析有助於根據結溫(T_j)找出半導體的工作點。D²PAK、TO-LL和HU3PAK三種不同封裝內的元件是相同的。元件在25°C時RDS_(on)等於80mΩ。

在下一章節中，由於封裝的結對環境熱阻(RthJA)值不同，熱分析發現所有三個封裝的結溫不同。因此，不同的結溫會影響RDS_(on)和閘極閾值電壓(V_GS(th))。

T_j對RDS_(on)的影響遠大於對V_GS(th)的影響。因此，僅根據T_j值和不同的RDS_(on)值計算傳導損耗，表3提供三種不同套裝軟體的RDS_(on)乘法係數。

表3：考慮RDS_(on)增加後的熱係數與T_j的關係。

表4：不同RDS_(on)值下三種封裝的傳導損耗。

HU3PAK的測試結果證實，當其功率與其他封裝相同時，其頂部的冷卻封裝維持了較低的結溫。因此，消耗更少的功率，提高了總功率效率，因為RDS_(on)隨結溫升高而增加(圖3)。因此，確保較低結溫T_j的更高熱效率封裝，有助於將功耗減到最小。

圖3：RDS_(on)行為與T_j的關係，該曲線代表熱倍增因數。

圖4：V_GS(th)性能與T_j的關係。

熱模擬及分析

本文重點介紹為驗證頂部冷卻解決方案而進行的熱模擬，模擬採用的是數值有限元方法。該方法根據連接到印刷電路板(PCB)的熱介面材料(TIM)，可以評估封裝內功率MOSFET的熱行為。模擬中使用的功耗資料來自本文前面所示的實際操作條件(輕載和滿載時的DC/DC轉換器)。

針對三種封裝解決方案，進行了模擬基準測試：D²PAK和TO-LL為底部冷卻，HU3PAK為頂部冷卻。第一次評估是在穩定狀態下進行，模擬中使用的散熱片相同，在D²PAK和TO-LL封裝中，散熱片放置在PCB熱通孔的底部，而在HU3PAK封裝中直接放置在頂部裸露的銅框架上。

此外，對於所有物理模型，模擬中採用相同的、有熱通孔的2層PCB (銅箔厚度為2盎司)，相同的TIM和邊界條件(Tamb=25℃，散熱表面上的導熱係數(Htc)=750W/m²K)。

圖5：三款不同封裝的模擬幾何結構、PCB和底部散熱的軸測圖和側視圖，左：TO-LL；中：D²PAK；右：HU3PAK。

表5提供了為預測三款封裝元件在10%、20%、50%、75%和100%負載上Tjmax的首次模擬結果。表5所示的結果證實，TO-LL和D²PAK的性能相當，而HU3PAK的溫度更低，且在滿載時溫差更明顯。

表5：不同負荷下三款封裝元件的Tjmax (每款元件功耗相同)。

參考表4中更新的傳導損耗，對每款元件進行熱模擬。圖7所示為TO-LL、D²PAK和HU3PAK滿載時的模擬熱圖。

表6：不同負載百分比上每款封裝的Tjmax (每款封裝的功耗不同)。

圖6：不同百分比負載下的溫度比較。

圖7：(a)TO-LL、(b)D²PAK和(c)U3PAK穩態熱圖。

結果說明，D²PAK和TO-LL的熱性能相當，而HU3PAK在相同負載點上溫度較低。正如預期的那樣，HU3PAK更好的熱性能主要源於頂部冷卻，優異的熱性能在滿載時最為明顯。

圖8：D²PAK、TO-LL和HU3PAK封裝的RthJA。

最後，透過提取每款封裝的Rth_j-amb，也證實HU3PAK的性能優於其他兩款封裝。

模型驗證

最後，透過將模擬和測量結果進行比較，來驗證模型，如圖9所示。圖9中所示元件為TO-LL封裝。安裝在與之前進行的模擬所用相同的PCB上，所得結果如表7所示。關於邊界條件，考慮了PCB底部的絕熱，封裝和PCB頂部表面的導熱係數(Htc)為11W/m²K。

圖9：用於模型驗證的TO-LL封裝的熱模擬。

表7：TO-LL封裝的Tjmax測量值和模擬結果。

表7中的結果顯示，該模型的驗證誤差小於1.5%，顯示模擬和實際測量之間的良好一致性。

結論

與D²PAK和TO-LL等其他SMD封裝相比，HU3PAK封裝具有頂部冷卻能力，從而顯示出許多優勢，當所採用的散熱尺寸和PCB熱特性(銅重量)相同時，由於其散熱能力提高，從而支援更大的功率密度。

結果如本文所列圖表所示，與D²PAK和TO-LL中所用更常見的底部冷卻方法相比，HU3PAK將Rth_j-amb降低了18%。此外，還需注意到，對於上述所討論的所有三款封裝，模擬時所採用的冷卻系統均相同。然而實際上，透過對冷卻系統進行最佳化，還可以進一步提高HU3PAK的熱性能。

(參考原文：How to improve efficiency of DC-DC converters，by Marco Papaserio、Domenico Nardo、Daniela Cavallaro、Cristiano Gianluca Stella、Stefano Orlando)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年3月號

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