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根据IGBT热核算的最大化电源规划功效解决方案

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

核算大多数半导体器材结温的进程广为人知。一般情况下,外壳或引脚温度已知。丈量裸片的功率耗散,并乘以裸片至封装的热阻(用theta或θ表明),以核算外壳至结点的温升。这种办法适用于一切单裸片封裝,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,这种办法被证明不足以担任。

某些IGBT是单裸片器材,要么结合单片二极管作,要么不结合二极管;但是,大多数IGBT结合了联合封装的二极管。大多数制作商供给单个θ值,用于核算结点至外壳热阻抗。这是一种简化的裸片温度核算办法,会导致涉及到的两个结点温度剖析不正确。关于多裸片器材而言,θ值一般不同,两个裸片的功率耗散也不同,各自要求独自核算。此外,每个裸片相互供给热能,故有必要顾及到这种交互影响。

本文将阐释怎样丈量两个元件的功率耗散,运用IGBT及二极管的θ值核算均匀结温及峰值结温。

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)

电压与电流波形有必要相乘然后作积分运算以丈量功率。尽管电压和电流简略相乘就能够给出瞬时功率,但无法运用这种办法简略地推导出均匀功率,故运用了积分来将它转换为能量。然后,运用不同损耗的能量之和以核算波形的均匀功率。

在开端核算之前界说导通、导电及封闭损耗的鸿沟很重要,由于假如波形的某些区域遗漏了或者是某些区域被重复了,它们或许会给丈量成果带来差错。本文的剖析中将运用10%这个点;但是,由于这是一种常见办法,也能够运用其它点,如5%或20%,只需它们适用于损耗的悉数成分。

正常情况下截取的是正在构成的正弦波的峰值波形。这便是峰值功率耗散。均匀功率是峰值的50%(均匀电压是峰值电压除以√2,均匀电流是峰值电流除以√2)。

一般来说,在电压波形的峰值,IGBT将导电,而二极管不导电。为了丈量二极管损耗,要求像电机这样的无功负载,且需求捕获电流处于无功状况(如被馈送回电源)时的波形。

图2:IGBT导通波形。

导通时,应当丈量起于%&&&&&%电平10%总算10% VCE点的损耗。这些电平等级适当规范,尽管这样说也有些主观性。假如需求的话,也能够运用其它点。不管挑选何种电平来丈量不同距离,重要的是保持一致,使从不同器材获取的数据能够依据相同的条件来比较。功率依据示波器波形来核算。由于它并非稳定不变,且要求均匀功率,就有必要核算电源波形的积分,如波形迹线的底部所示,本事例中为674.3 μW(或焦耳)。

图3:IGBT封闭波形。

与之相似,封闭损耗的丈量如下图所示。

图4:IGBT导电损耗波形。

导电损耗的丈量方法相似。它们应当起于导通损耗结尾,总算封闭损耗起点。这或许难于准确丈量,由于导电损耗的时刻刻度远大于开关损耗。

图5:二极管封闭波形

有必要获取在开关周期的部分时段(此刻电流为无功形式使二极管导电)时的二极管导通损耗数据。一般丈量峰值、负及反向导电电流10%点的数据。

图6:二极管导电损耗波形。

二极管导电损耗是核算IGBT封装总损耗所要求的最终一个损耗成分。当核算出一切损耗之后,它们需求运用于以作业形式时长为根底的整体波形。安森美半导体运用注释AND9140中对此进行了具体介绍。当添加并顾及到这些能量之后,它们能够一同相加,并乘以开关频率,以取得二极管及IGBT功率损耗。

裸片温度核算

为了准确核算封装中两个裸片的温度,重要的是核算两个裸片之间的本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)。某些制作商会发布封裝的单个θ值,其间裸片温度仅为估计值,实际上精度或许差异极大。

安森美半导体IGBT器材的数据表中包括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。核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。测验显现关于TO-247、TO-220及相似封装而言,此常数约为0.15 ℃/W,下面的示例中将运用此常数。

图7:IGBT瞬态热阻抗。

图8:二极管瞬态热阻抗。

IGBT裸片温度

IGBT的裸片温度能够依据下述等式来核算:

二极管裸片温度

峰值裸片温度

上述剖析中核算的温度针对的是均匀裸片温度。此温度在开关周期内不断改变,而峰值裸片温度能够运用图7和图8中的热瞬态曲线来核算。为了核算,有必要从曲线中读取瞬态信息。假如交流电频率为60 Hz,半个周期便是时长便是8.3 ms。因而,运用8.3 ms时长内的50%占空比曲线,就能够核算Psi值:

评价多裸片封装内的半导体裸片温度,在单裸片器材适用技能根底上,要求更多的剖析技能。有必要取得两个裸片供给的直流及瞬态热信息,以核算裸片温度。还有必要丈量两个器材的功率耗散,剖析完好半正弦波规模抽的损耗。此剖析将增强运用者决心,即体系中的半导体器材将以安全可靠的温度作业,供给最优的体系功能。

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