透過(guò)IGBT熱計(jì)算來(lái)優(yōu)化電源設(shè)計(jì)

多數(shù)半導(dǎo)體組件結(jié)溫的計(jì)算過(guò)程很多人都知道。通常情況下，外殼或接腳溫度已知。量測(cè)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(jì)算外殼至結(jié)點(diǎn)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(duì)多裸片絕緣柵雙極晶體管(IGBT)而言，這種方法被證實(shí)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(gè)θ值，用于計(jì)算結(jié)點(diǎn)至外殼熱阻抗。這是一種簡(jiǎn)化的裸片溫度計(jì)算方法，會(huì)導(dǎo)致涉及到的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度分析不正確。對(duì)于多裸片組件而言，θ值通常不同，兩個(gè)裸片的功率耗散也不同，各自要求單獨(dú)計(jì)算。此外，每個(gè)裸片互相提供熱能，故必須顧及到這種交互影響。

本文將闡釋怎樣量測(cè)兩個(gè)組件的功率耗散，使用IGBT及二極管的θ值計(jì)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(jì)算

電壓與電流波形必須相乘然后作積分運(yùn)算以量測(cè)功率。雖然電壓和電流簡(jiǎn)單相乘就可以給出瞬時(shí)功率，但無(wú)法使用這種方法簡(jiǎn)單地推導(dǎo)出平均功率，故使用了積分來(lái)將它轉(zhuǎn)換為能量。然后，使用不同損耗的能量之和以計(jì)算波形的平均功率。

在開(kāi)始計(jì)算之前定義導(dǎo)通、導(dǎo)電及關(guān)閉損耗的邊界很重要，因?yàn)槿绻ㄐ蔚哪承﹨^(qū)域遺漏了或者是某些區(qū)域被重復(fù)了，它們可能會(huì)給量測(cè)結(jié)果帶來(lái)誤差。本文的分析中將使用10%這個(gè)點(diǎn);然而，由于這是一種常見(jiàn)方法，也可以使用其他點(diǎn)，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(cè)二極管損耗，要求像電機(jī)這樣的無(wú)功負(fù)載，且需要捕獲電流處于無(wú)功狀態(tài)(如被饋送回電源)時(shí)的波形。

圖2：IGBT導(dǎo)通波形。

導(dǎo)通時(shí)，應(yīng)當(dāng)量測(cè)起于IC電平10%終于10% VCE點(diǎn)的損耗。這些電平等級(jí)相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)，雖然這樣說(shuō)也有些主觀性。如果需要的話，也可以使用其他點(diǎn)。無(wú)論選擇何種電平來(lái)量測(cè)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(lái)比較。功率根據(jù)示波器波形來(lái)計(jì)算。由于它并非恒定不變，且要求平均功率，就必須計(jì)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。

與之類(lèi)似，關(guān)閉損耗的量測(cè)如下圖所示。

圖4：IGBT導(dǎo)電損耗波形。

導(dǎo)電損耗的量測(cè)方式類(lèi)似。它們應(yīng)當(dāng)起于導(dǎo)通損耗終點(diǎn)，終于關(guān)閉損耗起點(diǎn)。這可能難于精確量測(cè)，因?yàn)閷?dǎo)電損耗的時(shí)間刻度遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)損耗。

圖5：二極管關(guān)閉波形。

必須獲取在開(kāi)關(guān)周期的部分時(shí)段(此時(shí)電流為無(wú)功模式使二極管導(dǎo)電)時(shí)的二極管導(dǎo)通損耗資料。通常量測(cè)峰值、負(fù)及反向?qū)щ婋娏?0%點(diǎn)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(jì)算IGBT封裝總損耗所要求的最后一個(gè)損耗成分。當(dāng)計(jì)算出所有損耗之后，它們需要應(yīng)用于以工作模式時(shí)長(zhǎng)為基礎(chǔ)的總體波形。當(dāng)增加并顧及到這些能量之后，它們可以一起相加，并乘以開(kāi)關(guān)頻率，以獲得二極管及IGBT功率損耗。[!--empirenews.page--]

裸片溫度計(jì)算

為了精確計(jì)算封裝中 兩個(gè)裸片的溫度，重要的是計(jì)算兩個(gè)裸片之間的自身發(fā)熱導(dǎo)致的熱相互影響。這要求3個(gè)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(huì)公布封裝的單個(gè)θ值，其中裸片溫度僅為估計(jì)值，實(shí)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(jì)算中還要求另一項(xiàng)熱系數(shù)，即兩個(gè)裸片之間的熱交互影響常數(shù)ψ。測(cè)試顯示對(duì)于TO-247、TO-220及類(lèi)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(shí)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(lái)計(jì)算：

假定下列條件：

TC= 82°C

RΘJC-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

RΘJC-diode= 1.06°C/W

類(lèi)似的是，二極管裸片溫度為：

峰值裸片溫度

上述分析中計(jì)算的溫度針對(duì)的是平均裸片溫度。此溫度在開(kāi)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(shí)曲線來(lái)計(jì)算。為了計(jì)算，有必要從曲線 中讀取瞬時(shí)信息。如果交流電頻率為60 Hz，半個(gè)周期就是時(shí)長(zhǎng)就是8.3 ms。因此，使用8.3 ms時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的50%占空比曲線，就可以計(jì)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(huì)是：

二極管裸片峰值溫度就是：

結(jié)論

評(píng)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(gè)裸片提供的直流及瞬時(shí)熱信息，以計(jì)算裸片溫度。還有必要量測(cè)兩個(gè)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(qiáng)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。