Тепловое сопротивление выпрямителей: трюки маркетологов и истинное положение

Свойства полупроводниковых выпрямителей определяются тремя основными предельными характеристиками:

• максимальное напряжение пробоя;
• максимальный пиковый ток;
• максимальная температура кристалла.

Важнейшим ограничивающим параметром для выпрямителей является не максимальное значение выпрямленного тока (I_fav), а именно предельная температура кристалла (T_jmax). Обе характеристики связаны между собой через рассеиваемую мощность и величину теплового сопротивления. Надо помнить, что превышение допустимой температуры чипа может привести к выходу элемента из строя.

Интересно отметить, что маркетологи фирм-производителей предпринимают постоянные попытки сделать техническую документацию более «привлекательной» для пользователей. Они завышают значение I_fav, пытаясь таким образом представить свои диоды более мощными, чем у конкурентов. Фокус в данном случае состоит в попытке определить параметры выпрямителя в нереальных условиях эксплуатации или при тепловом сопротивлении конструкции, не реализуемом на практике. Типичное ухищрение — это нормирование характеристик чипа для случая его установки на гибридную подложку.

Однако законы физики распространяются на продукцию всех производителей диодов. Ключевое для данного случая — следующее выражение, определяющее перегрев кристалла диода в зависимости от рассеиваемой мощности и теплового сопротивления:

Данная формула является приближенной, поскольку в ней не учитываются потери, вызванные токами утечки, динамические потери при обратном восстановлении и температурная зависимость прямого падения напряжения V_f.

Чтобы получить абсолютно корректный результат, необходимо сумму всех имеющихся потерь умножить на величину теплового сопротивления. При сопоставлении характеристик выпрямителей не следует сравнивать справочные значения I_fav, в то время как сопоставление прямого падения напряжения V_f вполне корректно, поскольку это значение непосредственно связано с размером кристалла и, следовательно, с его мощностью.

Проанализируйте типовой график зависимости V_f от тока выпрямителя, приводимый в технических характеристиках. Это позволит сравнить размеры чипов в компонентах, которые вы собираетесь приобрести. Необходимо отметить, что данное утверждение несправедливо для быстрых диодов, поскольку для них параметр V_f зависит от количества легирующих материалов — золота (Au) или платины (P_t), используемых для уменьшения времени обратного восстановления t_rr.

Некоторые производители определяют величину прямого тока I_fav при коэффициенте заполнения 50%, хотя промышленным стандартом является 100%. Это дает им очевидную возможность завышать нормы.

Из приведенного выражения для T_jmax видно, что снижение значения теплового сопротивления «кристалл–окружающая среда» R_th(j–a) позволяет увеличивать значение I_fav. И этот трюк также широко применяют некоторые производители.

Кривая снижения значения среднего выпрямленного тока в зависимости от температуры для случая использования алюминиевой подложки, показанная на рис. 1,— это типичный пример подобной маркетинговой хитрости. Для конкурирующего прибора нормальные условия эксплуатации определяются для выпрямителя, «установленного на печатную плату из эпоксистеклопластика или стандартного материала FR4». В некоторых случаях параметры могут нормироваться для PCB других типов, однако, как правило, тепловое сопротивление при этом оказывается еще выше.

Кривая для «алюминиевой подложки» соответствует ситуации, когда диод используется в гибридной схеме. Очевидно, что такая характеристика выглядит для пользователя более привлекательно, но следует учесть, что она справедлива только для менее 1% применений! Однако некоторые производители диодов публикуют только такую кривую. Технические характеристики, приводимые в документации Diotec, всегда нормированы исходя из условия применения стандартных материалов PCB: эпоксистеклопластик/FR4.

Другой способ корректного сравнения — это использование условий измерения теплового сопротивления. В приведенном примере, достаточно типичном для промышленных применений, элемент монтируется методом пайки на омедненную контактную площадку размером 1,3/1,3 мм на плате из эпоксистеклопластика. Изменяя условия пайки или размер площадки, можно уменьшить тепловое сопротивление. С точки зрения разработчика это очень хорошо, поскольку снижение температуры чипа увеличивает его срок службы и время наработки на отказ. Однако это еще и помогает маркетологам завышать технические характеристики компонентов, поэтому будьте очень внимательны при использовании подобных кривых.

Кривая, характеризующая снижение нагрузочной способности при увеличении температуры, вообще является основным источником ошибок. Очевидно, что при максимальной температуре кристалла ток должен быть нулевым, однако все остальные участки характеристики могут быть использованы в целях маркетинга. Это становится понятным, например, при сравнении кривых, показанных на рис. 1 и 2. Обратите внимание на то, что в первом случае параметры нормируются при заданной температуре окружающей среды, а во втором — при температуре контактов элемента. Полное значение теплового сопротивления smd-диода включает 2 составляющих: тепловое сопротивление «кристалл – вывод» и «вывод – контакт печатной платы». Вторая часть этой характеристики в большинстве практических применений вносит более 90% в общее значение. Это и становится источником ошибок при использовании кривой, нормированной для температуры выводов, которая на практике ограничена значением не более 95 °C.

Наклон рассматриваемой нами кривой определяется тепловым сопротивлением конструкции, которая во многом зависит от свойств печатной платы и топологии трассировки. С этой точки зрения характеристика, предоставляемая изготовителем диода, может оказаться слишком «оптимистичной». Точка начала перегиба кривой выбирается производителем и тоже используется как маркетинговый инструмент, повышающий привлекательность компонента. Например, диод, у которого снижение тока начинается со 110 °C, кажется нам более мощным, чем выпрямитель, у которого «излом» характеристики происходит при 25 °C.

При сравнении двух диодов также очень полезно представлять себе их конструкцию и способ корпусирования. Например, корпус MiniMELF имеет длину всего 3,5 мм, но при этом наличие массивных медных выводов, припаянных к кристаллу, означает, что тепло от него будет отводиться очень эффективно (рис. 3). Это очевидное преимущество такого типа корпуса перед smd-конструктивом c плоскими (рис. 2) или аксиальными выводами. Чем меньше поперечное сечение контакта, тем хуже тепловое сопротивление и ниже допустимая плотность тока. Использование MELF-технологии позволяет компании Diotec производить надежные выпрямительные диоды с номинальным током 1 А в миниатюрном корпусе MiniMELF, а в корпусе MELF длиной 5 мм— с током до 3 А.

Ценность технологий, используемых при производстве выпрямителей, явно недооценена. Промышленные предприятия выпускают десятки миллиардов диодов каждый год, и среди них выпрямители являются самыми популярными элементами силовой электроники. Диоды рассеивают большое количество мощности, они должны работать при высоких напряжениях и высоких температурах кристаллов. Выпрямители имеют хорошие показатели надежности, поэтому их используют в стрессовых условиях, но при этом они находятся под мощным ценовым давлением.

Один из путей повышения надежности — это снижение теплового сопротивления и, следовательно, уровня перегрева. Поскольку значение этого параметра во многом зависит от свойств конструкции, рекомендуем пользователям уделять самое пристальное внимание тепловым характеристикам и измерять реальные значения рабочих температур. Ориентируясь на справочные данные, которые предоставляют производители компонентов, необходимо тщательно анализировать условия нормирования параметров и адаптировать их к реальным режимам эксплуатации.