基于IGBT熱計算的最大化電源設計效用解決方案

計算大多數半導體器件結溫的過(guò)程廣為人知。通常情況下，外殼或引腳溫度已知。測量裸片的功率耗散，并乘以裸片至封裝的熱阻(用theta或θ表示)，以計算外殼至結點(diǎn)的溫升。這種方法適用于所有單裸片封裝，包括雙極結晶體管(BJT)、MOSFET、二極管及晶閘管。但對多裸片絕緣門(mén)雙極晶體管(IGBT)而言，這種方法被證實(shí)不足以勝任。

某些IGBT是單裸片器件，要么結合單片二極管作，要么不結合二極管;然而，大多數IGBT結合了聯(lián)合封裝的二極管。大多數制造商提供單個(gè)θ值，用于計算結點(diǎn)至外殼熱阻抗。這是一種簡(jiǎn)化的裸片溫度計算方法，會(huì )導致涉及到的兩個(gè)結點(diǎn)溫度分析不正確。對于多裸片器件而言，θ值通常不同，兩個(gè)裸片的功率耗散也不同，各自要求單獨計算。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。

本文將闡釋怎樣測量?jì)蓚€(gè)元件的功率耗散，使用IGBT及二極管的θ值計算平均結溫及峰值結溫。

圖1： 貼裝在TO-247封裝引線(xiàn)框上的IGBT及二極管。

(圖中文字說(shuō)明：Gate wire 門(mén)極連線(xiàn);Emitter wires 射極連線(xiàn);Diode 二極管)

電壓與電流波形必須相乘然后作積分運算以測量功率。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)單地推導出平均功率，故使用了積分來(lái)將它轉換為能量。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(kāi)始計算之前定義導通、導電及關(guān)閉損耗的邊界很重要，因為如果波形的某些區域遺漏了或者是某些區域被重復了，它們可能會(huì )給測量結果帶來(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，也可以使用其它點(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將導電，而二極管不導電。為了測量二極管損耗，要求像電機這樣的無(wú)功負載，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導通波形。

導通時(shí)，應當測量起于IC電平10%終于10% VCE點(diǎn)的損耗。這些電平等級相當標準，雖然這樣說(shuō)也有些主觀(guān)性。如果需要的話(huà)，也可以使用其它點(diǎn)。無(wú)論選擇何種電平來(lái)測量不同間隔，重要的是保持一致，使從不同器件獲取的數據能夠根據相同的條件來(lái)比較。功率根據示波器波形來(lái)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(xiàn)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)閉損耗的測量如下圖所示。

圖4：IGBT導電損耗波形。

導電損耗的測量方式類(lèi)似。它們應當起于導通損耗終點(diǎn)，終于關(guān)閉損耗起點(diǎn)。這可能難于精確測量，因為導電損耗的時(shí)間刻度遠大于開(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)功模式使二極管導電)時(shí)的二極管導通損耗數據。通常測量峰值、負及反向導電電流10%點(diǎn)的數據。

圖6：二極管導電損耗波形。

二極管導電損耗是計算IGBT封裝總損耗所要求的最后一個(gè)損耗成分。當計算出所有損耗之后，它們需要應用于以工作模式時(shí)長(cháng)為基礎的總體波形。安森美半導體應用注釋AND9140中對此進(jìn)行了詳細介紹。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(kāi)關(guān)頻率，以獲得二極管及IGBT功率損耗。

裸片溫度計算

為了精確計算封裝中兩個(gè)裸片的溫度，重要的是計算兩個(gè)裸片之間的自身發(fā)熱導致的熱相互影響。這要求3個(gè)常數：IGBT的θ值、二極管的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值，實(shí)際上精度可能差異極大。

安森美半導體IGBT器件的數據表中包含IGBT及二極管θ值圖表。穩態(tài)θ值如圖7及圖8中的圖表所示。IGBT的θ值為0.470℃/W，二極管為1.06℃/W。計算中還要求另一項熱系數，即兩個(gè)裸片之間的熱交互影響常數ψ。測試顯示對于TO-247、TO-220及類(lèi)似封裝而言，此常數約為0.15 ℃/W，下面的示例中將使用此常數。

圖7：IGBT瞬態(tài)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下述等式來(lái)計算：

二極管裸片溫度

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(kāi)關(guān)周期內不斷變化，而峰值裸片溫度可以使用圖7和圖8中的熱瞬態(tài)曲線(xiàn)來(lái)計算。為了計算，有必要從曲線(xiàn)中讀取瞬態(tài)信息。如果交流電頻率為60 Hz，半個(gè)周期就是時(shí)長(cháng)就是8.3 ms。因此，使用8.3 ms時(shí)長(cháng)內的50%占空比曲線(xiàn)，就可以計算Psi值：

評估多裸片封裝內的半導體裸片溫度，在單裸片器件適用技術(shù)基礎上，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態(tài)熱信息，以計算裸片溫度。還有必要測量?jì)蓚€(gè)器件的功率耗散，分析完整半正弦波范圍抽的損耗。此分析將增強使用者信心，即系統中的半導體器件將以安全可靠的溫度工作，提供最優(yōu)的系統性能。