制定机箱中功率MOSFET的热设计指南

MOSFET在电子产品中无处不在，其性能显著影响设计的热特性。这种影响的物理评估具有挑战性，但可以使用Ansys等公司的软件工具进行紧密建模来模拟热流，如图1所示。

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本文将研究两种不同的设计模型，包括不同机箱尺寸、PCB尺寸和结构，以及带和不带附加组件的情况。

用于仿真的机箱模型有两种类型：

• 1型机箱为120×200×40 mm，机箱的六个面均配有隔热层。这种模型的机箱如图2所示。
• 2型机箱为140×200×40 mm，机箱六个面配有厚度为1mm的铝板，便于机箱温度分析，同时用作散热片。

PCB模型1为100 ×180×1.6 mm，共四层。顶层、底层和中间层迹线厚度均为35 μm。

PCB模型2为125×175×1.6 mm，共四层，模型顶层、底层和中间层迹线厚度分别为70、70和35 μm。

请注意，所有PCB电路板均由FR4材料制成，走线含铜量设为80%。电路板顶部没有阻焊层，仿真设置仅包括补偿电路层影响的辐射率。此外，电路板没有通孔和散热孔。

MOSFET模型基于TO-247封装，芯片尺寸为4×4×0.25 mm，引线厚度为0.6 mm，框架为16×20×4.4 mm。为了更好地优化分析时间，MOSFET使用三个部分建模—框架、芯片和引线—省略键合引线和焊接线。所得结果近似于长方体。

模型2还包括IC器件、电感器（即线圈和变压器）和电解电容器。电感器和IC器件按气流阻力，而不是按发热器件建模。这种模型的典型布局如3所示。

仿真使用40×40 mm风扇，结合多个P-Q（压力-流量）曲线来表示。.

T连接机箱侧壁的格栅可配置为进风口或出风口，风扇用作吹风机或排风机。请注意，格栅的开口率为1.0。

这种仿真是最简单的情况，使用模型1，以单个MOSFET（2W功耗）作为热源。结合风扇和格栅的不同位置，切实了解单个MOSFET放置在机箱内不同位置的热行为，可作为其余仿真的起点。

图4显示MOSFET、格栅和风扇位置的各种组合。

使用Ansys软件获得的气流结果如图5所示，器件分别放置在A1、A2、A3、A4和A5。图中，风扇位于位置A，格栅位于位置C。

此仿真以及所有剩余仿真的MOSFET热阻根据以下公式计算：

热阻=（平均芯片仿真温度–环境温度）/功耗

从器件、格栅和风扇位置所有可能的组合结果来看，很明显，MOSFET放在风扇直通格栅的通道中是最有效的方法。

接下来，将总共25个MOSFET放置在模型中并同时通电，风扇和格栅分别位于模型1的左下角（风扇位置A）和右上角（格栅位置C）。

与单个MOSFET仿真相似，测量MOSFET芯片平均温度计算MOSFET热阻。这个仿真中的一个关键变量是MOSFET的间距。

不出所料，图6（窄间距）和图7（宽间距）所示结果表明，间距对于实现最佳热控制非常重要。如果加大间距，MOSFET之间气流更通畅，从而降低MOSFET热阻，无论使用排风扇（每个图片的左侧）还是吹风扇（每个图片的右侧）。

MOSFET窄间距和宽间距两种情况下，排风扇的效果都不如吹风扇。

现在，我们在更真实的条件下进行仿真，如图8所示。注意其中包括额外的IC、线圈、电感器和其他组件。此外，还要注意风扇和格栅的位置。

这组仿真再次改变风扇和格栅的位置，并计算MOSFET的热阻。结果如表1所示。

风扇位置A和格栅位置C为两种风扇工作模式提供最佳整体热性能。

使用模型2，用排风扇模式研究格栅尺寸的效果。分析提供格栅尺寸与机箱模型内放置的六个MOSFET热阻的相关数据，如图9左侧所示。图10右侧所示结果表明格栅越大，机箱内整体空间冷却效果越好。

强制对流将外部冷空气吸入机箱，而自然对流是随着热源热气上升，引入冷空气替换热气实现冷却。请注意，自然对流需要顶部开口，而不是格栅。自然对流的方法更便宜，因为不需要风扇；然而，相比之下，自然对流通常效果较差。

仿真设置和元器放置如图10所示，左图表示自然对流，右图表示强制对流。

图11显示这些仿真的结果。显然，在所有功耗水平下，强制对流方案温度更低，具有更好的热性能。这表明尽管存在相关成本，但风扇仍是热设计中的明智选择。

接下来的仿真重点研究给定机箱宽度下强制对流的结果。图12显示两种布局：一种是宽机箱，另一种是与风扇宽度相等的窄机箱。

吹风扇和排风扇仿真，图13汇总仿真结果。小机箱风扇距离的效果不如大机箱，因为大机箱气流不受限制。

散热设计受风扇性能的影响。图14显示的仿真布局采用高、中、低Q（体积气流）风扇评估风扇性能对四个MOSFET热阻的影响。

图15汇总仿真结果，不出所料，强力风扇四个芯片的热阻更低。采用吹风扇的情况下，最靠近风扇的MOSFET热阻最低。排风扇的情况正好相反，最靠近格栅的MOSFET热阻最小。这在直觉上是成立的，因为这些MOSFET距冷空气最近。

另一种常见MOSFET热设计方法是使用MOSFET散热器，散热器通过加大表面积加快散热。使用的散热器分两种不同方向：水平（散热器与PCB位于同一平面）和垂直。评估的六个模型如图16所示，三个不同的器件和散热器方向交叉，采用自然冷却或强制冷却方法。

仿真结果如表2所示。自然风冷和强制风冷条件下，散热器降低热阻。

机箱散热器是电力电子设备热设计的另一种常见方法。空间有限的情况下，很难给每个MOSFET加散热器，我们的最终分析考察机箱本身用作散热器的效果。

这种情景下，热接口材料（TIM）放在铝机箱和MOSFET之间提供电气隔离。配置和三种方法如图17所示：无散热器，散热器连接到所有四个边缘放置的MOSFET，机箱散热器用于四个边缘放置的MOSFET。

图18显示结果。使用机箱作为散热器非常有效，但需要考虑机箱材料才能获得可比结果。

综上所有结果，我们可以得出MOSFET系统设计的一些通用准则：

1. 强制对流优于自然对流，因为它能产生更高的气流速度，从而实现更加出色的冷却效果。
2. 强力风扇对MOSFET平均热阻产生极大影响。
3. 吹风扇在直冷热器件方面效率更高，而排风机在需要冷却整个基板的情况下表现更好。
4. MOSFET离风扇越近，冷却效果越好。
5. MOSFET应放在风扇与格栅之间的通道中，可行的情况下靠近风扇。
6. 大型元器件不应直接放在风扇前面，因为它们会影响整个机箱的气流。
7. 大格栅可以为整个内部空间提供更好的冷却效果。
8. 使用MOSFET散热器时，四周没有遮挡效果最好，在配置方面，最大面积必须暴露在风扇和格栅之间的气流中。
9. 假设机箱材料散热特性良好，当MOSFET沿机箱侧面放置时，机箱散热器最有效。

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