Comprehensive Design and Thermal Analysis of Bottom Side Cooling versus Top Side Cooling in Three Phase DC-AC Conversion System

Overcoming thermal management challenges has long been a barrier to increasing component density in power electronics applications. Higher power levels necessitate larger dissipation methods, a problem made worse by the PCB stack-up contributing tohighthermalresistance(Rth)alongtheheatdissipationpath. Totacklethisissue, newpackagesthatprovidetop-sideaccesstotheleadframe, knownasTSCpackages, have been developed. This thesis begins by exploring existing thermal management techniques and explains the decision to utilize SiC devices, with a brief focus on their proper driving methods, and Infineon´s proprietary die interconnection technology. The research proceeds with the design of a three-phase inverter, comparing the use of a TSC package versus a BSC package. The details of the functional tests is explained, followed by a thermal performance comparison between the two designs. Results demonstrate the superior thermal performance of the TSC package, along with the benefits of a simpler and more cost-effective assembly process.

Superare le costrizioni dovute alla gestione termica è stato a lungo un ostacolo all’aumento della densità dei componenti nelle applicazioni di elettronica di potenza. Livelli di potenza più elevati richiedono metodi di dissipazione più efficienti, un problema aggravato dalla configurazione dello stack-up del PCB, che contribuisce ad un'elevata resistenza termica (Rth) lungo il percorso di dissipazione del calore. Per affrontare questa problematica, sono stati sviluppati nuovi package con accesso alla parte superiore del lead frame, noti come package TSC. Questa tesi inizia esplorando le tecniche di gestione termica esistenti e spiega la scelta di utilizzare dispositivi SiC, con un breve approfondimento sui metodi di pilotaggio appropriati e sulla tecnologia proprietaria di interconnessione del die di Infineon. La ricerca prosegue con la progettazione di un inverter trifase, confrontando l’uso di un package TSC rispetto a un package BSC. Viene descritto il processo di debug, seguito da un confronto delle prestazioni termiche tra i due design. I risultati dimostrano le superiori prestazioni termiche del package TSC, oltre ai vantaggi di un processo di assemblaggio più semplice ed economico.