通过IGBT热计算来将电源设计的效用提升至最高

发布时间:2014-7-31 16:03    发布者:eechina
关键词: IGBT , 电源设计
作者:Alan Ball,安森美半导体

计算大多数半导体器件结温的过程广为人知。通常情况下,外壳或引脚温度已知。测量裸片的功率耗散,并乘以裸片至封装的热阻(用theta或θ表示),以计算外壳至结点的温升。这种方法适用于所有单裸片封裝,包括双极结晶体管(BJT)、MOSFET二极管及晶闸管。但对多裸片绝缘门双极晶体管(IGBT)而言,这种方法被证实不足以胜任。

某些IGBT是单裸片器件,要么结合单片二极管作,要么不结合二极管;然而,大多数IGBT结合了联合封装的二极管。大多数制造商提供单个θ值,用于计算结点至外壳热阻抗。这是一种简化的裸片温度计算方法,会导致涉及到的两个结点温度分析不正确。对于多裸片器件而言,θ值通常不同,两个裸片的功率耗散也不同,各自要求单独计算。此外,每个裸片互相提供热能,故必须顾及到这种交互影响。

本文将阐释怎样测量两个元件的功率耗散,使用IGBT及二极管的θ值计算平均结温及峰值结温。

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图1: 贴装在TO-247封裝引线框上的IGBT及二极管。
图中文字说明:
Gate wire 门极连线
Emitter wires 射极连线
Diode 二极管

电压电流波形必须相乘然后作积分运算以测量功率。虽然电压和电流简单相乘就可以给出瞬时功率,但无法使用这种方法简单地推导出平均功率,故使用了积分来将它转换为能量。然后,使用不同损耗的能量之和以计算波形的平均功率。

在开始计算之前定义导通、导电及关闭损耗的边界很重要,因为如果波形的某些区域遗漏了或者是某些区域被重复了,它们可能会给测量结果带来误差。本文的分析中将使用10%这个点;然而,由于这是一种常见方法,也可以使用其它点,如5%或20%,只要它们适用于损耗的全部成分。

正常情况下截取的是正在形成的正弦波的峰值波形。这就是峰值功率耗散。平均功率是峰值的50%(平均电压是峰值电压除以√2,平均电流是峰值电流除以√2)。

一般而言,在电压波形的峰值,IGBT将导电,而二极管不导电。为了测量二极管损耗,要求像电机这样的无功负载,且需要捕获电流处于无功状态(如被馈送回电源)时的波形。

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图2:IGBT导通波形。

导通时,应当测量起于IC电平10%终于10% VCE点的损耗。这些电平等级相当标准,虽然这样说也有些主观性。如果需要的话,也可以使用其它点。无论选择何种电平来测量不同间隔,重要的是保持一致,使从不同器件获取的数据能够根据相同的条件来比较。功率根据示波器波形来计算。由于它并非恒定不变,且要求平均功率,就必须计算电源波形的积分,如波形迹线的底部所示,本案例中为674.3 μW(或焦耳)。

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图3:IGBT关闭波形。

与之类似,关闭损耗的测量如下图所示。

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图4:IGBT导电损耗波形。

导电损耗的测量方式类似。它们应当起于导通损耗终点,终于关闭损耗起点。这可能难于精确测量,因为导电损耗的时间刻度远大于开关损耗。

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图5:二极管关闭波形

必须获取在开关周期的部分时段(此时电流为无功模式使二极管导电)时的二极管导通损耗数据。通常测量峰值、负及反向导电电流10%点的数据。

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图6:二极管导电损耗波形。

二极管导电损耗是计算IGBT封装总损耗所要求的最后一个损耗成分。当计算出所有损耗之后,它们需要应用于以工作模式时长为基础的总体波形。安森美半导体应用注释AND9140中对此进行了详细介绍。当增加并顾及到这些能量之后,它们可以一起相加,并乘以开关频率,以获得二极管及IGBT功率损耗。

裸片温度计算

为了精确计算封装中两个裸片的温度,重要的是计算两个裸片之间的自身发热导致的热相互影响。这要求3个常数:IGBT的θ值、二极管的θ值,以及裸片交互影响ψ(Psi)。某些制造商会公布封裝的单个θ值,其中裸片温度仅为估计值,实际上精度可能差异极大。

安森美半导体IGBT器件的数据表中包含IGBT及二极管θ值图表。稳态θ值如图7及图8中的图表所示。IGBT的θ值为0.470℃/W,二极管为1.06℃/W。计算中还要求另一项热系数,即两个裸片之间的热交互影响常数ψ。测试显示对于TO-247、TO-220及类似封装而言,此常数约为0.15 ℃/W,下面的示例中将使用此常数。

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图7:IGBT瞬态热阻抗。

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图8:二极管瞬态热阻抗。

IGBT裸片温度

IGBT的裸片温度可以根据下述等式来计算:

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二极管裸片温度

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峰值裸片温度

上述分析中计算的温度针对的是平均裸片温度。此温度在开关周期内不断变化,而峰值裸片温度可以使用图7和图8中的热瞬态曲线来计算。为了计算,有必要从曲线中读取瞬态信息。如果交流电频率为60 Hz,半个周期就是时长就是8.3 ms。因此,使用8.3 ms时长内的50%占空比曲线,就可以计算Psi值:

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评估多裸片封装内的半导体裸片温度,在单裸片器件适用技术基础上,要求更多的分析技术。有必要获得两个裸片提供的直流及瞬态热信息,以计算裸片温度。还有必要测量两个器件的功率耗散,分析完整半正弦波范围抽的损耗。此分析将增强使用者信心,即系统中的半导体器件将以安全可靠的温度工作,提供最优的系统性能。


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