盡管設計師一直致力于提高電力電子領域的效率，但在過去五年中，預算壓力、設備生命周期變化以及企業社會責任(CSR)等因素共同推動了對低成本、輕量化和高能效組件及最終設備的需求。

　　然而，這對設備設計師和電子工程師提出了重大挑戰。盡管需求不斷上升，但不可否認的是，電力電子設備是為極高功率負載設計的，而這種功率反過來又會產生大量熱量。因此，電力電子設備和系統的熱設計必須從一開始就考慮在內。

　　更多功率，更多問題

　　電力電子系統對半導體設備施加了獨特而苛刻的壓力。盡管我們已經看到電力電子設備的效率水平有了顯著提高，一些轉換和開關產品的效率達到98%，但很高的功率負載仍然會產生大量熱損失。即使實現98%的效率，剩余的2%浪費能量也會轉化為顯著的熱量，往往在數百瓦特之間，這些熱量必須被有效管理。因此，從組件和整個系統中管理熱散失對于電力電子的設計至關重要。

　　最終用戶通常要求極高的可靠性和使用壽命，這在可再生能源、電動汽車以及鐵路行業等多個領域都是至關重要的。高溫會降低組件的可靠性。以鋁電解電容器為例——這種電容器用于能量存儲和濾波——它們通常是電力系統中限制使用壽命的組件。根據一些估計，鋁電解電容器的工作壽命每上升10°C就會減半。

　　電力電子設備的負載通常具有瞬態特性。負載隨時間變化會影響半導體的即時性能及其使用壽命。電源循環——即設備在高低功率負載之間快速切換，導致溫度的大幅波動——可能會對半導體設備的焊接和連接造成壓力，從而導致設備故障。

　　如果設備的工作溫度未得到適當管理，電力電子設備的工作條件可能會變化，導致溫度進一步上升，這種現象被稱為熱失控。當功率晶體管的結溫升高時，晶體管的導通電阻也會增加，進而導致結溫進一步升高，形成正反饋回路。最終，這可能導致電子設備有效“自燃”。

　　保持冷卻：關鍵設計決策

　　這些熱行為的性質意味著設計師在設計過程中面臨若干至關重要的決策，以優化從關鍵半導體和其他組件的熱傳導。

　　在芯片層面，需要選擇適當的基板、粘合劑、芯片附著材料和接口材料。在系統層面，關于PCB材料、散熱器以及是否采用液體冷卻或熱電冷卻器等同樣重要的決策也需要做出。

　　電力電子中使用的更穩健材料也帶來了自己的挑戰。與典型的FR4 PCB相比，陶瓷或銅等材料具有高熱導率，這在熱管理中可能是有利的，但如果使用不當，這些材料也可能顯著增加設計的成本和重量。

　　設計工程師還必須謹慎考慮設備可能操作的真實環境。在受控環境中，工程師可能會對其產品散熱能力充滿信心。然而，這種能力可能無法轉化為最終應用環境中的實際性能。

　　為了交付一個完全優化的產品，這些決策需要在設計過程中盡早解決。不幸的是，目前仍然有許多設計師依賴“經驗法則”來處理熱問題，這導致產品出現“過度設計”或在項目后期試圖“消除”熱問題。實際上，根據6SigmaET的研究，只有25%的設計工程師在設計初期測試任何熱操作，而27%則等到設計完成后才進行測試。

　　如果在設計過程中未能及早處理熱問題，工程師將在根本上妥協他們的設計——要么增加不必要的成本，妨礙最終的效率和性能，要么未能滿足其他重要要求，比如重量。

　　沒有一種“放之四海而皆準”的材料適合所有設計。然而，設計工程師通過簡單地改變其中一種材料，可以實現效率或熱性能的提升。那么，在芯片層面和系統層面做出正確設計決策的關鍵是什么?熱仿真。

　　使用仿真解決各種層面的問題

　　通過熱仿真，工程師可以測試半導體的熱性能——無論是集成電路中的熱源微米級的精確細節，還是它們作為整體系統的一部分如何相互作用。

　　通過提前創建熱仿真模型，工程師可以使用各種不同材料測試他們的設計——例如，可以一鍵從銅切換到鋁。仿真還使得設計可以在多種不同環境、溫度和使用狀態下進行測試。這不僅有助于識別潛在的低效，還減少了對多個真實原型的需求(進一步有助于降低整體成本)。

　　隨著熱仿真軟件開始將預設計組件類型、模板和材料打包為標準，這一過程變得比以往任何時候都更容易。例如，6SigmaET現在包括內置的“包構建器”。這使用戶能夠通過定義參數列表，自動生成系統級的單個IC組件模型。通過這個界面，用戶可以創建詳細的集成電路和熱模型，以便納入其產品設計——使他們能夠考慮復雜IC的內部溫度。

　　這樣的工具使工程師更容易準確理解他們設計中的熱挑戰。反過來，這意味著熱考慮可以在設計過程中更早地得到處理，從而使電力電子半導體和系統的熱性能得以充分優化，減少對昂貴的后期“修復”的依賴，并避免不必要的過度設計。

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