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工程師詳解:如何通過IGBT熱計算來優(yōu)化電源設(shè)計

發(fā)布時間:2015-01-12 責任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】大家所知道的半導(dǎo)體組件結(jié)溫計算方法,對于IGBT而言,這種方法被證實不足以勝任。本文將闡釋怎樣量測兩個組件的功率耗散,使用IGBT及二極管的θ值計算平均結(jié)溫及峰值結(jié)溫,以達到電源優(yōu)化的目的。
 
大家都知道多數(shù)半導(dǎo)體組件結(jié)溫的計算過程。通常情況下,外殼或接腳溫度已知。量測裸片的功率耗散,并乘以裸片至封裝的熱阻(用theta或θ表示),以計算外殼至結(jié)點的溫升。這種方法適用于所有單裸片封裝,包括雙極結(jié)晶體管(BJT)、MOSFET、二極管及晶閘管。但對多裸片絕緣柵雙極晶體管(IGBT)而言,這種方法被證實不足以勝任。
 
某些IGBT是單裸片組件,要么結(jié)合單片二極管作,要么不結(jié)合二極管;然而,大多數(shù)IGBT結(jié)合了聯(lián)合封裝的二極管。大多數(shù)制造商提供單個θ值,用于計算結(jié)點至外殼熱阻抗。這是一種簡化的裸片溫度計算方法,會導(dǎo)致涉及到的兩個結(jié)點溫度分析不正確。對于多裸片組件而言,θ值通常不同,兩個裸片的功率耗散也不同,各自要求單獨計算。此外,每個裸片互相提供熱能,故必須顧及到這種交互影響。
 
下文將闡釋怎樣量測兩個組件的功率耗散,使用IGBT及二極管的θ值計算平均結(jié)溫及峰值結(jié)溫。
 
 
圖1:貼裝在TO-247封裝引線框上的IGBT及二極管
 
功率計算
 
電壓與電流波形必須相乘然后作積分運算以量測功率。雖然電壓和電流簡單相乘就可以給出瞬時功率,但無法使用這種方法簡單地推導(dǎo)出平均功率,故使用了積分來將它轉(zhuǎn)換為能量。然后,使用不同損耗的能量之和以計算波形的平均功率。
 
在開始計算之前定義導(dǎo)通、導(dǎo)電及關(guān)閉損耗的邊界很重要,因為如果波形的某些區(qū)域遺漏了或者是某些區(qū)域被重復(fù)了,它們可能會給量測結(jié)果帶來誤差。本文的分析中將使用10%這個點;然而,由于這是一種常見方法,也可以使用其他點,如5%或20%,只要它們適用于損耗的全部成分。
 
正常情況下截取的是正在形成的正弦波的峰值波形。這就是峰值功率耗散。平均功率是峰值的50%(平均電壓是峰值電壓除以√2,平均電流是峰值電流除以√2)。
 
一般而言,在電壓波形的峰值,IGBT將導(dǎo)電,而二極管不導(dǎo)電。為了量測二極管損耗,要求像電機這樣的無功負載,且需要捕獲電流處于無功狀態(tài)(如被饋送回電源)時的波形。
 
 
圖2:IGBT導(dǎo)通波形
 
導(dǎo)通時,應(yīng)當量測起于IC電平10%終于10% VCE點的損耗。這些電平等級相當標準,雖然這樣說也有些主觀性。如果需要的話,也可以使用其他點。無論選擇何種電平來量測不同間隔,重要的是保持一致,使從不同 組件獲取的數(shù)據(jù)能夠根據(jù)相同的條件來比較。功率根據(jù)示波器波形來計算。由于它并非恒定不變,且要求平均功率,就必須計算電源波形的積分,如波形跡線的底部 所示,本案例中為674.3 μW(或焦耳)。
 
 
圖3:IGBT關(guān)閉波形
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與之類似,關(guān)閉損耗的量測如下圖所示。
 
 
圖4:IGBT導(dǎo)電損耗波形
 
導(dǎo)電損耗的量測方式類似。它們應(yīng)當起于導(dǎo)通損耗終點,終于關(guān)閉損耗起點。這可能難于精確量測,因為導(dǎo)電損耗的時間刻度遠大于開關(guān)損耗。
 
 
圖5:二極管關(guān)閉波形
 
必須獲取在開關(guān)周期的部分時段(此時電流為無功模式使二極管導(dǎo)電)時的二極管導(dǎo)通損耗資料。通常量測峰值、負及反向?qū)щ婋娏?0%點的資料。
 
 
圖6:二極管導(dǎo)電損耗波形
 
二極管導(dǎo)電損耗是計算IGBT封裝總損耗所要求的最后一個損耗成分。當計算出所有損耗之后,它們需要應(yīng)用于以工作模式時長為基礎(chǔ)的總體波形。當增加并顧及到這些能量之后,它們可以一起相加,并乘以開關(guān)頻率,以獲得二極管及IGBT功率損耗。
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裸片溫度計算
 
為了精確計算封裝中 兩個裸片的溫度,重要的是計算兩個裸片之間的自身發(fā)熱導(dǎo)致的熱相互影響。這要求3個常數(shù):IGBT的θ值、IGBT的θ值,以及裸片交互影響ψ(Psi)。某些制造商會公布封裝的單個θ值,其中裸片溫度僅為估計值,實際上精度可能差異極大。
 
安森美半導(dǎo)體IGBT組件的數(shù)據(jù)表中包含IGBT及二極管θ值圖表。穩(wěn)態(tài)θ值如圖7及圖8中的圖表所示。IGBT的θ值為0.470 °C/W,二極管為1.06 °C/W。計算中還要求另一項熱系數(shù),即兩個裸片之間的熱交互影響常數(shù)ψ。測試顯示對于TO-247、TO-220及類似封裝而言,此常數(shù)約為0.15 °C/W,下面的示例中將使用此常數(shù)。
 
 
圖7:IGBT瞬時熱阻抗
 
 
圖8:二極管瞬態(tài)熱阻抗
 
IGBT裸片溫度
 
IGBT的裸片溫度可以根據(jù)下述等式來計算:
 
 
假定下列條件:
 
TC= 82°C
 
JC-IGBT= 0.470 °C/W
 
PD-IGBT= 65 W
 
PD-DIODE= 35 W
 
Psi交互影響= 0.15°C/W
 
IGBT的裸片溫度就是:
 
 
二極管裸片溫度
 
JC-diode= 1.06°C/W
 
 
類似的是,二極管裸片溫度為:
 
 
峰值裸片溫度
 
上述分析中計算的溫度針對的是平均裸片溫度。此溫度在開關(guān)周期內(nèi)不斷變化,而峰值裸片溫度可以使用圖7和圖8中的熱瞬時曲線來計算。為了計算,有必要從曲線 中讀取瞬時信息。如果交流電頻率為60 Hz,半個周期就是時長就是8.3 ms。因此,使用8.3 ms時長內(nèi)的50%占空比曲線,就可以計算Psi值:
 
IGBT 0.36 °C/W
 
二極管 0.70 °C/W
 
 
IGBT裸片的峰值溫度就會是:
 
 
二極管裸片峰值溫度就是:
 
 
結(jié)論
 
評估多裸片封裝內(nèi)的半導(dǎo)體裸片溫度,在單裸片組件適用技術(shù)基礎(chǔ)上,要求更多的分析技術(shù)。有必要獲得兩個裸片提供的直流及瞬時熱信息,以計算裸片溫度。還有必要量測兩個組件的功率耗散,分析完整半正弦波范圍抽的損耗。此分析將增強用戶信心,即系統(tǒng)中的半導(dǎo)體組件將以安全可靠的溫度工作,提供最優(yōu)的系統(tǒng)性能。
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