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透过IGBT热计算来优化电源设计

作者:不爱吃窝瓜时间:2016-03-21

数半导体组件结温的计算过程很多人都知道。通常情况下,外壳或接脚温度已知。量测裸片的功率耗散,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装,包括双极结晶体管(BJT)、MOSFET、二极管及晶闸管。但对多裸片绝缘栅双极晶体管(IGBT)而言,这种方法被证实不足以胜任。

某些IGBT是单裸片组件,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。对于多裸片组件而言,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。

本文将阐释怎样量测两个组件的功率耗散,使用IGBT及二极管的θ值计算平均结温及峰值结温。

图1:贴装在TO-247封装引线框上的IGBT及二极管。

功率计算

电压与电流波形必须相乘然后作积分运算以量测功率。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,它们可能会给量测结果带来误差。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,也可以使用其他点,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。为了量测二极管损耗,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。

图2:IGBT导通波形。

导通时,应当量测起于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,也可以使用其他点。无论选择何种电平来量测不同间隔,重要的是保持一致,使从不同 组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)。


图3:IGBT关闭波形。

与之类似,关闭损耗的量测如下图所示。

图4:IGBT导电损耗波形。

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

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资料。通常量测峰值、负及反向导电电流10%点的资料。

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。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。




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