基于IGBT熱計(jì)算的最大化電源設(shè)計(jì)效用解決方案

計(jì)算大多數(shù)半導(dǎo)體器件結(jié)溫的過程廣為人知。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(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)多裸片絕緣門雙極晶體管(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(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(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。

本文將闡釋怎樣測量兩個(gè)元件的功率耗散，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。

(圖中文字說明：Gate wire 門極連線;Emitter wires 射極連線;Diode 二極管)

電壓與電流波形必須相乘然后作積分運(yùn)算以測量功率。雖然電壓和電流簡單相乘就可以給出瞬時(shí)功率，但無法使用這種方法簡單地推導(dǎo)出平均功率，故使用了積分來將它轉(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)給測量結(jié)果帶來誤差。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(dǎo)電，而二極管不導(dǎo)電。為了測量二極管損耗，要求像電機(jī)這樣的無功負(fù)載，且需要捕獲電流處于無功狀態(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)測量起于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)，雖然這樣說也有些主觀性。如果需要的話，也可以使用其它點(diǎn)。無論選擇何種電平來測量不同間隔，重要的是保持一致，使從不同器件獲取的數(shù)據(jù)能夠根據(jù)相同的條件來比較。功率根據(jù)示波器波形來計(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。

與之類似，關(guān)閉損耗的測量如下圖所示。

圖4：IGBT導(dǎo)電損耗波形。

導(dǎo)電損耗的測量方式類似。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)。這可能難于精確測量，因?yàn)閷?dǎo)電損耗的時(shí)間刻度遠(yuǎn)大于開關(guān)損耗。

圖5：二極管關(guān)閉波形

必須獲取在開關(guān)周期的部分時(shí)段(此時(shí)電流為無功模式使二極管導(dǎo)電)時(shí)的二極管導(dǎo)通損耗數(shù)據(jù)。通常測量峰值、負(fù)及反向?qū)щ婋娏?0%點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

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)長為基礎(chǔ)的總體波形。安森美半導(dǎo)體應(yīng)用注釋AND9140中對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)介紹。當(dāng)增加并顧及到這些能量之后，它們可以一起相加，并乘以開關(guān)頻率，以獲得二極管及IGBT功率損耗。

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、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(jì)值，實(shí)際上精度可能差異極大。

安森美半導(dǎo)體IGBT器件的數(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℃/W，二極管為1.06℃/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。測試顯示對(duì)于TO-247、TO-220及類似封裝而言，此常數(shù)約為0.15 ℃/W，下面的示例中將使用此常數(shù)。

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(jù)下述等式來計(jì)算：

二極管裸片溫度

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中的熱瞬態(tài)曲線來計(jì)算。為了計(jì)算，有必要從曲線中讀取瞬態(tài)信息。如果交流電頻率為60 Hz，半個(gè)周期就是時(shí)長就是8.3 ms。因此，使用8.3 ms時(shí)長內(nèi)的50%占空比曲線，就可以計(jì)算Psi值：

評(píng)估多裸片封裝內(nèi)的半導(dǎo)體裸片溫度，在單裸片器件適用技術(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態(tài)熱信息，以計(jì)算裸片溫度。還有必要測量兩個(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(qiáng)使用者信心，即系統(tǒng)中的半導(dǎo)體器件將以安全可靠的溫度工作，提供最優(yōu)的系統(tǒng)性能。