Estendere la durata di vita: Perché è importante un corretto raffreddamento dei MOSFET

Introduzione

I transistor ad effetto di campo a semiconduttore metallico (MOSFET) sono alcuni dei componenti fondamentali dell'elettronica moderna. I MOSFET hanno un ruolo fondamentale nell'industria, in quanto vengono utilizzati negli alimentatori switching ad alta velocità per i computer o nei driver dei motori dei veicoli elettrici (EV), nonché nei complessi sistemi di controllo delle macchine industriali. L'efficienza e le prestazioni dei MOSFET hanno un effetto diretto sull'affidabilità e la funzionalità dei circuiti in cui sono integrati.

Come altri componenti elettronici, i MOSFET generano calore quando gestiscono una potenza significativa. Pertanto, il controllo del surriscaldamento non è semplicemente un aspetto della progettazione, ma tende a rappresentare il limite massimo delle prestazioni del dispositivo in termini di stabilità operativa e longevità. La mancata applicazione di buone soluzioni di raffreddamento a un MOSFET è altrettanto negativa quanto la costruzione di una struttura e l'ignoranza delle fondamenta, che finiranno per provocare una forte instabilità e una riduzione delle prestazioni.

Lo scopo di questo articolo è quello di analizzare le principali cause di riscaldamento di un MOSFET, i risultati dannosi di un raffreddamento non adeguato, le metodologie di raffreddamento che possono essere impiegate e il modo in cui una regolazione termica ottimale migliora l'affidabilità e la longevità.

Perché i MOSFET si surriscaldano? Le radici della generazione di calore

Per comprendere la generazione di calore in un MOSFET, dobbiamo esplorare il suo funzionamento in un circuito come quello delle applicazioni di commutazione, in cui passa dallo stato conduttivo (on) a quello non conduttivo (off) a un ritmo rapido. In un caso ideale, un interruttore sarebbe in grado di non dissipare energia; tuttavia, nella pratica, tutti i MOSFET del mondo reale tendono ad avere caratteristiche che causano una certa perdita di energia, che si traduce in perdita di potenza sotto forma di calore.

Due fattori principali sono responsabili della perdita di potenza in un MOSFET: le perdite di conduzione e le perdite di commutazione.

Le perdite di conduzione si verificano quando il MOSFET è eccitato e permette il passaggio di corrente dal drain alla sorgente. Il MOSFET presenta una resistenza tra il drain e la sorgente, chiamata R{DS(on)}, il cui valore aumenta con la corrente. I MOSFET non sono privi di perdite resistive anche se si trovano in uno stato potenziato. La perdita di potenza dovuta alla conduzione viene stimata utilizzando la relazione: Pconduzione=ID(RMS)2×RDS(on), dove ID(RMS) è la corrente di drenaggio RMS. Questa perdita sarà presente fintanto che il dispositivo si trova nello stato di accensione. Come nel caso di R{DS(on)}, anche il valore di R{DS(on)} tende ad aumentare con l'aumentare della temperatura, creando così un difficile circuito di retroazione in cui l'aumento della temperatura comporta un aumento della resistenza, che si traduce in un'ulteriore generazione di calore.

Le perdite durante la commutazione si verificano nei brevi intervalli in cui il MOSFET si accende e si spegne. Durante queste transizioni, sia la tensione che attraversa il MOSFET, VDS, sia la corrente che lo attraversa, I(D), non sono simultaneamente nulle. La perdita di commutazione è proporzionale alla frequenza di commutazione, ai tempi di salita e discesa della tensione e della corrente e all'energia consumata durante la commutazione per ogni ciclo. Nella moderna elettronica di potenza, la necessità di progetti più piccoli ed efficienti porta a un aumento della frequenza di commutazione. In questo modo, altre funzioni critiche di un sistema vengono compromesse. Le perdite di pilotaggio del gate sono le perdite associate alla carica e alla scarica della capacità di gate del MOSFET. Nonostante nella maggior parte delle applicazioni queste perdite siano inferiori a quelle di conduzione e commutazione, contribuiscono comunque al calore complessivo generato.

Le applicazioni che commutano grandi correnti ad alta frequenza sono considerate applicazioni ad alta potenza. Esse spostano la barriera termica verso il basso sul MOSFET. Il calore associato ai parametri operativi di un sistema di alimentazione dipende dall'energia elettrica consumata. Vale la pena notare che con l'aumento delle dimensioni del die di silicio del MOSFET, il requisito di dissipazione del calore cresce proporzionalmente.

Il costo del surriscaldamento: Degrado delle prestazioni e rischi potenziali

Il funzionamento di un MOSFET a una temperatura non controllata, a causa della mancanza di raffreddamento, presenta alcuni inconvenienti, tra cui le prestazioni, l'affidabilità e altri problemi esterni al sistema, come guasti, aumento dei tempi di ripristino e costi di manutenzione.

• Riduzione dell'efficienza di conversione: Riduzione dell'efficienza di conversione: È evidente che con l'aumento del calore si verifica un aumento dei valori R{DS(on)} del MOSFET. In parole povere, le perdite di conduzione peggiorano perché l'energia dissipata sotto forma di calore è maggiore di quella fornita al carico. Ciò comporta una diminuzione dell'efficienza dei circuiti di conversione di potenza. Negli stadi di potenza non altrettanto efficienti, la potenza erogata è proporzionalmente maggiore dell'energia generata, il che contribuisce ulteriormente al surriscaldamento del sistema e all'aumento dei costi operativi.
• Impatto sulla stabilità del sistema: Le alte temperature di esercizio possono causare una deriva delle caratteristiche elettriche di un MOSFET, come la tensione di soglia e la transconduttanza. Nei circuiti di controllo o negli stadi di potenza sensibili, questa deriva può portare a un comportamento imprevedibile, a problemi di temporizzazione, a un aumento del rumore del segnale e, infine, all'instabilità del sistema o a un guasto completo. Il surriscaldamento è una causa comune di crash o arresti imprevisti nei dispositivi elettronici.
• Durata di vita ridotta dei componenti: La temperatura ha un impatto molto significativo sul degrado dei semiconduttori. L'aumento delle temperature di giunzione riduce anche la durata di vita di un MOSFET. Diversi meccanismi di guasto, tra cui, ma non solo, l'elettromigrazione, il danneggiamento del reticolo cristallino del silicio e la degradazione dei materiali di imballaggio, possono verificarsi molto più rapidamente a causa dell'aumento del calore. Mantenere un MOSFET alla massima temperatura nominale di giunzione può ridurne notevolmente la durata rispetto a un funzionamento a una temperatura molto più bassa.
• Potenziali danni all'hardware: In scenari estremi, in cui si verifica una fuga termica o si superano di gran lunga i limiti fissati per le temperature, il MOSFET rischia di subire danni irreversibili. Componenti come i fili di collegamento possono fondersi, la matrice di silicio può rompersi o l'imballaggio può essere danneggiato, con conseguente perdita di funzionalità del componente e possibili danni anche in altre parti del circuito.

  Superare la temperatura nominale di giunzione per lunghi periodi di tempo non è fattibile per l'affidabilità a lungo termine dei sistemi basati su dispositivi a stato solido. Una strategia ben definita per la gestione del calore è fondamentale per ottenere i risultati desiderati e garantire la durata.

Una panoramica delle soluzioni di raffreddamento per MOSFET

Per ridurre al minimo gli effetti negativi del calore sulla giunzione sensibile di un MOSFET, è necessario rimuovere il calore dal componente. Questo obiettivo può essere raggiunto in diversi modi, la maggior parte dei quali è implementata in combinazione con altri, e ognuno ha i suoi vantaggi e svantaggi.

Raffreddamento passivo: Dissipatori

La maggior parte dei MOSFET viene raffreddata passivamente mediante un dissipatore di calore. Un dissipatore è un conduttore termico, spesso in alluminio o rame, con un'ampia superficie per il suo volume. Lo scopo principale di un dissipatore è quello di assorbire l'energia termica dal MOSFET e rilasciarla in un mezzo non allineato (tipicamente l'aria).

L'efficacia di un dissipatore è una funzione composta di diversi attributi: il materiale di cui è fatto (il rame è migliore dell'alluminio, ma è più pesante e più costoso), le dimensioni del dissipatore, in particolare la sua forma e il rapporto tra altezza e larghezza (più superficie e alette migliorano la dissipazione), la resistività termica tra il case del MOSFSET e il dissipatore, il flusso d'aria intorno al dissipatore e infine la temperatura dell'ambiente.

A seconda della struttura, un dissipatore passivo può dipendere dalla convezione naturale e dalla radiazione per il raffreddamento. Tuttavia, funziona per alcune applicazioni a bassa potenza o per le aree al di sotto della barriera termica e dove l'aria può fluire. Tuttavia, in condizioni statiche o quando la dissipazione di potenza diventa imminente, la stagnazione porta a rendimenti decrescenti.

Raffreddamento attivo: Raffreddamento assistito da ventole

Nei casi in cui la convezione naturale non funziona, si applicano tecniche di raffreddamento attivo con aria forzata, le più comuni delle quali sono le ventole di raffreddamento. L'aggiunta di una ventola di raffreddamento che soffia aria su un dissipatore aumenta la velocità di trasferimento del calore per convezione. L'aumento del flusso d'aria porta l'aria più fredda a contatto con le alette del dissipatore e trasporta via l'aria riscaldata. La resistenza termica tra il dissipatore e l'aria ambiente si riduce in modo significativo e il dissipatore, insieme al MOSFET, può funzionare entro limiti di temperatura accettabili.

L'efficacia del raffreddamento assistito da ventola dipende dalla potenza volumetrica e dalla pressione della ventola, dal design delle alette del dissipatore per massimizzare il contatto con il flusso d'aria e dalla configurazione generale del sistema per garantire una corretta aspirazione e scarico dell'aria. Molti alimentatori per computer e controllori di elettronica industriale si affidano a questa tecnologia.

Tra i metodi alternativi di raffreddamento vi è il raffreddamento a liquido, che utilizza un liquido di raffreddamento che scorre attraverso una piastra fredda collegata al MOSFET, trasferendo il calore a un radiatore in un'altra parte del sistema. Questa soluzione è tipica per le applicazioni di potenza molto elevata o per quelle in cui è richiesto un rumore minimo.

Il raffreddamento nella pratica: Considerazioni sul raffreddamento dei MOSFET in diversi scenari

Le restrizioni di potenza, i fattori ambientali e le limitazioni progettuali di un sistema hanno un effetto marcato sulla sua applicazione, che a sua volta influisce sulla strategia di raffreddamento dei MOSFET impiegati.

Hardware del PC

La scheda madre di un PC contiene diverse parti fondamentali, come la GPU, la RAM e la CPU, tutte dotate di un'alimentazione dedicata. I moduli di regolazione della tensione (VRM) della scheda madre utilizzano i MOSFET come semiconduttori. Durante le attività più impegnative, come i giochi o il calcolo pesante, questi MOSFET sono probabilmente sottoposti a un intenso carico di corrente. Sebbene i produttori di schede madri installino dissipatori passivi sul lato del VRM, le versioni a basso prezzo delle schede madri non offrono un'efficienza impressionante a causa dello scarso flusso d'aria del case. I PC più avanzati aggiungono piccole ventole sopra i dissipatori VRM o sostituiscono il raffreddamento a liquido personalizzato con il sistema di raffreddamento VRM del PC. Come le GPU per workstation, le schede grafiche avanzate dispongono di potenti sistemi di raffreddamento che, a volte, integrano dissipatori mirati e piastre fredde sui MOSFET di potenza a controllo di carica per fornire un boost clock ottimale senza raggiungere temperature di throttling.

Elettronica di potenza

Nelle applicazioni ad alta potenza, come gli alimentatori industriali, gli azionamenti dei motori e gli inverter, la commutazione di grandi correnti e tensioni attraverso i MOSFET comporta spesso un notevole riscaldamento. In questo caso, la gestione termica serve a garantire efficienza e affidabilità in ambienti operativi difficili e impegnativi. Gli ingegneri conducono analisi termiche approfondite, stimando la dissipazione di potenza per gli scenari peggiori e scegliendo le dimensioni dei dissipatori, di solito con un raffreddamento ad aria forzata tramite potenti ventole.

I dati sull'affidabilità dello standard Telcordia SR-332 (Reliability Predictions Procedure for Electronic Equipment) affermano che il tasso di guasto dei componenti a semiconduttore come i MOSFET dipende dalla temperatura di giunzione in modo esponenziale. La temperatura di giunzione di un tipico dispositivo al silicio di 105°C prevederebbe un tasso di guasto di ordini di grandezza superiore a quello di 55°C, mentre una temperatura più moderata di 55°C sposterebbe la condizione di default a 55°C. Ciò evidenzia l'impatto del raffreddamento nel sostenere l'affidabilità del sistema per periodi prolungati nell'elettronica di potenza. Ciò include la progettazione del MOSFET, del dissipatore di calore e del circuito stampato su cui si trova il MOSFET, che si interfaccia con l'involucro del flusso d'aria del sistema.

Altre applicazioni

Oltre alle applicazioni per PC e alimentatori su larga scala, i MOSFET trovano applicazione nell'illuminazione periferica a LED, nell'elettronica di consumo, nella stampa 3D, nell'elettronica automobilistica e in numerosi altri dispositivi. In questi casi, un vincolo progettuale dominante è solitamente lo spazio, oltre al costo e alla resistenza a condizioni ambientali difficili come vibrazioni, polvere e temperature estreme. Per i MOSFET a bassa potenza con tecnologia di interconnessione ad alta densità, il trasferimento di calore potrebbe dipendere da PCB rivestiti in rame e piccoli dissipatori incollati.

Tuttavia, questi metodi passivi spesso non sono in grado di gestire livelli di potenza più elevati o limitazioni del flusso d'aria in involucri compatti o sigillati. È qui che diventa più importante un raffreddamento attivo supplementare, in particolare con l'uso di ventole di raffreddamento dedicate. In alcuni casi, come nel caso dei driver LED ad alta potenza o delle scatole di controllo per stampanti 3D, vengono spesso incorporate ventole CC compatte per controllare le temperature dei MOSFET. Ciò è importante per evitare sfarfallii o errori di stampa dovuti al surriscaldamento, al fine di migliorare l'affidabilità e la longevità dei dispositivi. La necessità e l'uso ricorrente di ventole in queste diverse applicazioni illustra la richiesta di prestazioni e le aspettative riposte nei limiti termici di base definiti dall'ambiente circostante, che devono essere superati per mantenere una funzionalità affidabile dei MOSFET nel tempo.

Scelta del giusto metodo di raffreddamento dei MOSFET

Le considerazioni relative al metodo di raffreddamento selezionato per il MOSFET sono specifiche per l'applicazione, per cui è essenziale considerare numerose variabili situazionali. Non esiste un metodo universalmente ottimale. Le considerazioni di cui sopra si fondono al meglio per ottenere un risultato favorevole in termini di efficienza delle prestazioni termiche, costi, spazio, condizioni ambientali, affidabilità e sostenibilità. Tenete a mente questi fattori mentre prendete una decisione:

Valutare la dissipazione di potenza: La dissipazione di potenza è l'aspetto più significativo del calore generato dal MOSFET. Nel caso di una dissipazione di potenza molto bassa, in genere inferiore a 1-2 Watt per dispositivo, a seconda del suo package, è sufficiente utilizzare l'area di rame della scheda. Per potenze più moderate, che includono alcuni watt, sono solitamente necessari dissipatori passivi. Per livelli di potenza più elevati è necessario utilizzare metodi di raffreddamento attivi, come ventole o raffreddamento a liquido, a causa della maggiore dissipazione di potenza. In alcuni casi, possono essere richieste densità di potenza molto elevate.

Considerate lo spazio e il fattore di forma: Forma, dimensioni e design limitano lo spazio disponibile, che è una delle considerazioni principali. L'intera gamma di dissipatori di calore è stata progettata per incorporare ventole di dissipazione del calore. Le ventole non solo richiedono uno spazio aggiuntivo, ma devono essere progettate anche le aperture e il flusso d'aria. Anche componenti aggiuntivi come pompe, radiatori e tubi per il raffreddamento a liquido necessitano di spazi di montaggio adeguati.

Valutare le condizioni ambientali: La regione dell'ambiente operativo che si trova in prossimità del MOSFET (ipason) è particolarmente importante. Considerate i fattori termici e meccanici: polvere, umidità, vibrazioni o componenti corrosivi presenti nell'ambiente, che possono richiedere progetti di raffreddamento robusti come ventole ad alto grado di protezione o sistemi di raffreddamento a liquido sigillati.

Determinare le esigenze di prestazioni e affidabilità: Il raggiungimento di livelli estremi di prestazioni (ad esempio, l'overclocking) o l'affidabilità a lungo termine (per alcune applicazioni industriali esigenti) richiedono soluzioni di raffreddamento più efficienti. Rispetto al raffreddamento con ventole a controllo attivo, il raffreddamento passivo non è altrettanto competente nel gestire carichi termici variabili.

Analizzare costi e complessità: PI dissipatori di calore assotigliati, insieme alla mancanza di raffreddamento aggiuntivo, tendono a essere l'opzione più economica e a bassa complessità. Rispetto alle ventole, il raffreddamento a liquido è spesso il più costoso e complesso, ma in genere è riservato alle applicazioni specializzate di fascia alta.

Fattore di sensibilità al rumore: Il rumore indesiderato in alcune applicazioni (come l'elettronica di consumo quasi silenziosa) è generato dalle ventole. A parte le ventole, tutti gli altri approcci di raffreddamento menzionati (passivo e a liquido) risultano silenziosi, anche se in alcuni casi il raffreddamento a liquido risulta più silenzioso di quello con ventole potenti. La regolazione del rumore si ottiene anche utilizzando ventole con controllo PWM sensibili alla temperatura.

La soluzione di ACDCFAN: Usare l'"aria" per risolvere i problemi di raffreddamento dei MOSFET

Sebbene i dissipatori passivi possano essere il punto di partenza per il raffreddamento di un MOSFET, non sono sufficienti nel caso di applicazioni ad alta densità di potenza o di ambienti termici difficili. In questi casi, è necessario un flusso d'aria attivo. È qui che si rivelano molto utili le potenti ventole di raffreddamento, che trasformano i vantaggi offerti dai dissipatori passivi in potenti soluzioni termiche.

ACDCFAN - un fornitore di ventole di fiducia - sa bene che il flusso d'aria affidabile delle ventole utilizzate per il raffreddamento dei componenti elettronici svolge un ruolo cruciale nella gestione delle operazioni termiche dei componenti elettronici. Ciò è particolarmente vero quando si tratta di raffreddare gli esigenti MOSFET. L'ambito delle nostre attività comprende la fabbricazione e la produzione di diversi tipi di ventilatori progettati per soddisfare i requisiti di ventilazione industriale standard, fino alle soluzioni di raffreddamento industriali specializzate.

Le nostre offerte di ventole specializzate per un efficace raffreddamento dei MOSFET

ACDCFAN è anche il principale fornitore di ventole assiali interamente in metallo. A differenza delle ventole con parti in plastica soggette al calore che deteriora le prestazioni, le nostre ventole interamente in metallo utilizzano materiali resistenti alle alte temperature e sono quindi affidabili fino a 150 gradi Celsius. Queste ventole sono ideali per le applicazioni industriali e di alimentazione critiche in cui i MOSFET sono soggetti a condizioni di temperatura crescenti, grazie alla loro maggiore durata e affidabilità rispetto ad altre soluzioni.

Oltre alle ventole PWM DC, in cui siamo specializzati, produciamo anche ventole EC. Queste ventole offrono un controllo preciso della velocità, consentendo di adattare il raffreddamento al carico termico presentato, riducendo al minimo il rumore e ottimizzando l'efficienza. La rumorosità è ulteriormente ridotta grazie al design del motore brushless e alla tecnologia avanzata sottoventilata che consente alle nostre ventole di raggiungere il grado di protezione IP68.

Questo livello di protezione garantisce un funzionamento affidabile in condizioni difficili a causa di polvere, umidità, acqua o altri agenti contaminanti, come spesso accade nell'industria elettronica o nei sistemi esterni che utilizzano MOSFET.

ACDCFAN non ha una soluzione unica per tutti. Siamo consapevoli che il raffreddamento di un MOSFET è spesso molto personalizzato per un uso particolare. Per questo motivo offriamo un elevato grado di personalizzazione, che comprende modifiche alle dimensioni e al design della ventola, modifiche funzionali e molto altro ancora, per soddisfare le più svariate richieste dei nostri clienti. Che si tratti di una ventola dal flusso d'aria particolare con un design specifico dell'elemento di raffreddamento o di una ventola sofisticata per le condizioni ambientali più severe, i nostri servizi OEM, ODM e OBM mirano a superare le sfide più complesse relative alla gestione termica non lineare dei vostri MOSFET. Quando lavorate con noi, ACDCFAN diventa il vostro fornitore di soluzioni di raffreddamento, dotandovi di sistemi personalizzati ad alte prestazioni progettati per una gestione termica efficiente, migliorando così la durata e l'affidabilità dei vostri MOSFET e di altri sistemi elettronici.

Conclusione

Un'efficace modulazione della temperatura è essenziale per il funzionamento affidabile e la durata di vita dei MOSFET. Una gestione termica errata porta invariabilmente al surriscaldamento, che a sua volta si traduce in riduzione dell'efficienza, invecchiamento, instabilità, danni all'hardware e riduzione della vita operativa.

Le tecniche di raffreddamento robuste basate sui principi di progettazione elettronica, come i dissipatori passivi, i sistemi attivi basati su ventole e i metodi più avanzati, devono essere caratteristiche incluse piuttosto che opzionali in una progettazione elettronica affidabile. L'installazione accurata, l'uso di materiali per l'interfaccia termica e l'attenzione ai dettagli migliorano ulteriormente il raffreddamento.

La comprensione delle problematiche termiche e l'impiego di soluzioni di raffreddamento attivo di alta qualità, come quelle fornite da ACDCFAN, consente a ingegneri e progettisti di gestire i rischi, garantendo una temperatura sicura per un funzionamento efficiente dei MOSFET. Questo approccio favorisce una maggiore durata, prestazioni di sistema ottimali e resilienza nei dispositivi elettronici di prossima generazione. Sistemi di raffreddamento ottimizzati e su misura migliorano fondamentalmente il valore del prodotto, l'affidabilità e i vantaggi complessivi per i clienti. Pertanto, gli investimenti diretti alle soluzioni di raffreddamento sono direttamente correlati al successo e alla longevità dei prodotti.