Quais formas de embalagem são adequadas para diodos de potência em equipamentos de energia?

1, seleção de pacotes impulsionada por requisitos de dissipação de calor: design gradiente de TO-220 a DFN
Em equipamentos de energia, a capacidade de dissipação de calor dos diodos de potência determina diretamente sua temperatura operacional e vida útil. De acordo com os diferentes métodos de resistência térmica (R θ JA) e dissipação de calor, as formas de embalagem podem ser divididas nas três categorias a seguir:

Embalagem da série TO: referência para dissipação de calor em cenários-de alta potência
Os pacotes TO-220 e TO{14}}247 são projetados com pinos de metal e placas de dissipação de calor para conduzir calor para a PCB ou dissipador de calor, tornando-os a escolha preferida para cenários de alta-potência, como fontes de alimentação industriais e acionamentos de motor. Por exemplo, um inversor fotovoltaico de 5kW usa diodo Schottky MBR20100CT (pacote TO-220), que suporta corrente de 20A e tem uma resistência térmica de apenas 2,5 graus/W. Pode operar de forma estável por um longo período de tempo a uma temperatura ambiente de 60 graus. O pacote TO-247 reduz ainda mais a resistência térmica para 1,8 graus /W por meio de espaçamento de pinos mais amplo e maior área de dissipação de calor, tornando-o adequado para aplicações de tensão ultra-alta (como 1700V) e corrente ultra-alta (como 3600A), como válvulas conversoras de transmissão CC flexíveis.
Pacote DFN/PowerPAK: solução de dissipação de calor com design de alta-densidade
Com o desenvolvimento de equipamentos de energia voltados à miniaturização e alta densidade de potência, os pacotes DFN (dupla-face plana sem pinos) e PowerPAK conduzem calor diretamente para a folha de cobre da PCB por meio do design da almofada inferior exposta, e a resistência térmica pode ser tão baixa quanto 0,5 grau /W. Por exemplo, uma fonte de alimentação de servidor usa diodos SiC embalados em DFN8 × 8, com um aumento de temperatura de apenas 15 graus a uma corrente de 100A, que é 60% menor que o pacote TO-220. Esse tipo de embalagem também oferece suporte à produção automatizada de montagem em superfície, melhorando significativamente a eficiência da fabricação.
Embalagem modular: colaboração de dissipação de calor integrada em vários dispositivos
No conversor de energia eólica e no sistema de armazenamento de energia, vários diodos precisam ser integrados com IGBT, capacitor e outros componentes no mesmo módulo. A embalagem modular consegue conexão paralela de vários chips por meio de tecnologia de crimpagem ou soldagem, enquanto usa substratos de cobre ou resfriamento líquido para dissipação de calor, melhorando a eficiência geral da dissipação de calor. Por exemplo, um determinado conversor de energia eólica offshore adota um módulo IGBT crimpado com diodos SiC Schottky integrados. Através do projeto de dissipação de calor de dupla face, a resistência térmica é reduzida para 0,3 graus/W, suportando saída de potência de nível de 10 MW.
2, Otimização de pacotes adaptada aos métodos de instalação: transição da inserção-de furo para montagem em superfície
Os métodos de produção e as limitações de espaço dos equipamentos de energia exigem formas de embalagem diferenciadas, promovendo a evolução da tecnologia de embalagens em direção à automação e compacidade.

Embalagem de inserção através de furo (THT): compatibilidade entre soldagem manual e manutenção
Os pacotes das séries DIP (Dual In Line) e TO são fixados mecanicamente através da inserção de pinos nos orifícios da PCB, adequados para cenários que requerem soldagem manual ou manutenção. Por exemplo, uma determinada placa de controle industrial utiliza diodos retificadores 1N4007 embalados em DIP, que tem um custo 30% menor que a embalagem de montagem em superfície (SMT), mas ocupa o dobro da área da placa que a embalagem SMA. Esse tipo de embalagem ainda detém certa participação de mercado em adaptadores de energia e placas de controle de eletrodomésticos de baixo-custo.
Embalagem com tecnologia de montagem em superfície (SMT): o núcleo da produção automatizada e da integração de alta densidade
Os pacotes das séries SMA/SMB/SMC e SOD são projetados com pinos curtos ou sem pinos para se adaptarem à produção automatizada de montagem em superfície, melhorando significativamente a eficiência da fabricação. Por exemplo, um carregador de celular utiliza diodos Schottky SS14 embalados em SMA, ocupando apenas 2,5 × 1,2 mm² de área da placa, o que é 80% menor que a embalagem DO-41. Nas estações de carregamento de veículos elétricos, o diodo de recuperação ultrarrápida (UFRD) embalado em SOD-323 suporta comutação de alta frequência de 1 MHz, ajudando a atingir 95% de eficiência de conversão.
Encapsulamento incorporado: a direção futura da integração em nível de sistema
Com o desenvolvimento de equipamentos de energia voltados para a inteligência, as embalagens embarcadas integram diodos, circuitos de acionamento, sensores, etc. em um único chip, reduzindo parâmetros parasitas e melhorando a confiabilidade. Por exemplo, um módulo de energia inteligente (IPM) integra SiC MOSFET e diodo Schottky, reduzindo seu tamanho em 50% por meio da tecnologia de empacotamento 3D e, ao mesmo tempo, reduzindo o ruído EMI, tornando-o adequado para microinversores fotovoltaicos e sistemas de energia de drones.
3, Classificação do pacote para correspondência de nível de potência: cobertura total de sinal pequeno a ultra-alta tensão
A faixa de potência dos equipamentos de energia varia de miliwatts (como fontes de alimentação de sensores) a megawatts (como conversores de energia eólica), e a forma de embalagem apropriada precisa ser selecionada de acordo com o nível de potência.

Cenário de baixo consumo de energia (<1A): Lightweight design of SOD and SOT packaging
Na retificação de sinal e fonte de alimentação auxiliar, os pacotes SOD-123 e SOT-23 dominam devido ao seu pequeno tamanho (1,7 × 1,25 mm²) e vantagens de baixo custo. Por exemplo, um fone de ouvido TWS usa diodos Schottky duplos BAT54S (pacote SOD-123) para obter retificação e proteção do sinal de áudio, com um consumo de energia de apenas 0,1W.
Cenário de média potência (1A-50A): Escolha equilibrada entre SMA e TO-220
O pacote SMA (5,4 × 2,6 mm²) suporta corrente de 5A e é adequado para eletrônicos de consumo e dispositivos de comunicação; O pacote TO-220 pode transportar uma corrente de 20A, tornando-o a escolha principal para fontes de alimentação industriais e acionamentos de motores. Por exemplo, um determinado módulo de carregamento de veículo elétrico usa diodos de recuperação rápida (FRDs) embalados TO-220 para atingir 92% de eficiência a uma frequência de 100kHz.
High power scenario (>50A): Avanço em modularidade e embalagens-em formato de disco
Na transmissão de corrente contínua de ultra-alta tensão e na geração de energia nuclear, o pacote de crimpagem-em forma de disco suporta tensão de 3,6 kV e corrente de surto de 10 kA por meio de vedação hermética e design de dissipação de calor-de dupla face. Por exemplo, uma determinada estação conversora de corrente contínua de ultra-alta tensão usa módulos de diodos crimpados em espiral para atingir 99,9% de confiabilidade e uma vida útil de mais de 20 anos.
4, Inovação em embalagens na perspectiva da integração de sistemas: de dispositivos discretos a módulos inteligentes
Com o desenvolvimento de equipamentos de energia em direção à inteligência e à rede, a forma de embalagem dos diodos de potência está evoluindo de dispositivos únicos para módulos funcionais, promovendo a dupla melhoria da eficiência e confiabilidade do sistema.

Design integrado: reduza parâmetros parasitas e interferência EMI
Em aplicações-de alta frequência, a indutância e a capacitância parasitas dos diodos podem causar oscilações e ruído. O empacotamento integrado reduz significativamente os parâmetros parasitas ao empacotar diodos com capacitores, resistores e outros componentes. Por exemplo, um conversor ressonante LLC usa um módulo que integra UFRD e capacitores de película fina para reduzir o ruído EMI em 20dB e melhorar a eficiência de conversão para 96%.
Monitoramento inteligente: aumento-da temperatura em tempo real e previsão de vida
Ao incorporar sensores de temperatura ou chips RFID na embalagem, é possível obter monitoramento-em tempo real da temperatura da junção do diodo e do status de funcionamento, permitindo a manutenção preditiva. Por exemplo, um determinado sistema de armazenamento de energia utiliza módulos de diodo SiC com sensores de temperatura para fornecer aviso antecipado de envelhecimento do dispositivo através de análise de big data, reduzindo a taxa de falhas do sistema em 70%.
Padronização e modularização: reduzindo custos de projeto e fabricação de sistemas
As alianças industriais promovem a padronização de padrões de embalagem, como o módulo MiniSKiiP da SEMIKRON e o módulo EasyPACK da Infineon, que encurtam os ciclos de desenvolvimento de produtos e reduzem os custos de BOM por meio de interfaces padronizadas e design de dissipação de calor. Por exemplo, após adotar módulos padronizados, um determinado fabricante de inversores fotovoltaicos encurtou o ciclo de pesquisa e desenvolvimento de 12 para 6 meses, reduzindo os custos em 15%.