目录
1. 概述
新能源汽车中的电动汽车离我们越来越近，在汽车上有个负责给充电的器件叫 OBC，全名叫 On-board charger。拥有超小的身材，却拥有强大的性能。常规家用车中的 OBC 拥有6.6KW最大功率，却不到 A4 纸张大小的尺寸，厚度也仅仅 10cm 左右。在如此小的空间内拥有这么大的功率密度，需要严格的散热才能满足我们的设备正常运转。目前主要是通过冷却水循环散热。那么在OBC内的功率 MOS 温度又是多少呢？我们该如何保证这些器件稳定可靠工作呢？
2. 原理
2.1 功率 MOS 参数及温度特性
以下以 OBC 内使用功率 MOS 型号，我们以 NTHL040N65S3F 为例说明下这个问题。
图 1 NTHL040N65S3F 器件参数
2.2 最大漏极电流和背部金属温度
从 MOS 给的规格书中，我们可以找到器件在不同的工作温度条件下，对应能承受的最大电流值，从以下图形曲线看，随着 MOS 温度升高，该曲线单调下降，在 25℃ 条件下可以承受 64A 电流，在 150℃ 条件下承受电流能力为 0 。这些是功率器件的特性，我们可以根据工作条件设计我们需要的线路，保证系统平稳安全的运行。
图2 漏极电流 VS 背部金属温度
图3 NTHL040N65S3F 结温到背部金属热阻
3. MOS结温计算
3.1 计算原理
图 4 功率MOS和散热器
我们可以看到热传递过程从管子背部金属部分通过导热胶到陶瓷绝缘片，再从陶瓷绝缘片通过导热胶到铝外壳，最后到铝型材中液体带出热量。
我们查表可以得知以下材质导热系数
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氮化铝陶瓷 |
320W/m·K |
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6063 铝 |
201W/m·K |
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高导热胶 |
12W/m·K |
表 1 不同材料导导热系数
导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K，℃），在一定时间内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度 （W/(m·K)，此处为K可用℃代替）。
导热系数仅针对存在导热的传热形式，当存在其他形式的热传递形式时，如辐射、对流和传质等多种传热形式时的复合传热关系，复合传热关系通常被称为表观导热系数、显性导热系数或有效导热系数（thermal transmissivity of material）。此外，导热系数是针对均质材料而言的，实际情况下，还存在有多孔、多层、多结构、各向异性材料，此种材料获得的导热系数实际上是一种综合导热性能的表现，也称之为平均导热系数。
如果没有热量损失，对于一个对边平行的块状材料，我们可以用以下公式表达：
式中 E 是在时间 t 内所传递的能量， K 为导热系数， A 为截面积， L 为长度，t2 和 t1 分别为两个截面的温度。
3.2 计算步骤
我们定义 R 表示热阻， R=L/KA 。R=(t2-t1)/P
步骤 1 铝材热阻 R1 。
步骤 2 铝型材和陶瓷片之间热阻，陶瓷片和MOS背板的热阻同为胶填充，按照相等热阻计算，定义为 R2 。
步骤 3 陶瓷片热阻 R3 。
根据下图中，按照调压变换器的设计，选取 Q=0.45 ，Ln=4 。
步骤 4 由 PFC 计算文档中给出 PFC MOS的导通损耗 21W，开关损耗和驱动直接关系，我们按照 5W 计算。总损耗功率为 26W。总热阻：
步骤 5 功率 MOS 芯片内部温度到外壳问题 。
步骤 6 已知水道内水温最高 60℃ ，此时可以计算得知该功率下管壳温度及芯片温度 。
通过对比 表 2 图中的安全范围，可以知道 MOS 工作在安全范围内。
3.3 计算结果
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MOS型号 |
设计结温 |
工作电流条件下温度要求 |
运行时壳体温度 |
运行时芯片温度 |
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NTHL040N65S3F |
150℃ |
＜90℃ |
62.8℃ |
70.08℃ |
4. 参考资料
NTHL040N65S3F ON的官网 Datasheet。
百度百科词条《导热系数》
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文件标识 |
PFC 选型 | ||
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当前版本 |
V1.0 |
日期 |
2020-09-14 |
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作者 |
Allon Qiao |
联系方式 |
atu.cn@wpi-group.com |
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审核者 |
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联系方式 |
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更新记录
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版本 |
修改人 |
修改日期 |
修改说明 |
备注 |
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V1.0 |
Allon Qiao |
2020.09.14 |
1、创建文档 2、完成文档内容 |
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