透过IGBT热计算来优化电源设计

        大多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。


       
裸片温度计算
为了精确计算封装中 两个裸片的温度，重要的是计算两个裸片之间的自身发热导致的热相互影响。这要求3个常数：IGBT的θ值、IGBT的θ值，以及裸片交互影响ψ(Psi)。某些制造商会公布封装的单个θ值，其中裸片温度仅为估计值，实际上精度可能差异极大。
安森美半导体IGBT组件的数据表中包含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 °C/W，二极管为1.06 °C/W。计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。测试显示对于TO-247、TO-220及类似封装而言，此常数约为0.15 °C/W，下面的示例中将使用此常数。


图7：IGBT瞬时热阻抗。


图8：二极管瞬态热阻抗。

IGBT裸片温度
IGBT的裸片温度可以根据下述等式来计算：



假定下列条件：
　　TC= 82°C
　　RΘJC-IGBT= 0.470 °C/W
　　PD-IGBT= 65 W
　　PD-DIODE= 35 W
　　Psi交互影响= 0.15°C/W
IGBT的裸片温度就是：



二极管裸片温度
RΘJC-diode= 1.06°C/W



类似的是，二极管裸片温度为：



峰值裸片温度
上述分析中计算的温度针对的是平均裸片温度。此温度在开关周期内不断变化，而峰值裸片温度可以使用图7和图8中的热瞬时曲线来计算。为了计算，有必要从曲线 中读取瞬时信息。如果交流电频率为60 Hz，半个周期就是时长就是8.3 ms。因此，使用8.3 ms时长内的50%占空比曲线，就可以计算Psi值：
　　IGBT 0.36 °C/W
　　二极管 0.70 °C/W



IGBT裸片的峰值温度就会是：



二极管裸片峰值温度就是：



结论
评估多裸片封装内的半导体裸片温度，在单裸片组件适用技术基础上，要求更多的分析技术。有必要获得两个裸片提供的直流及瞬时热信息，以计算裸片温度。还有必要量测两个组件的功率耗散，分析完整半正弦波范围抽的损耗。此分析将增强用户信心，即系统中的半导体组件将以安全可靠的温度工作，提供最优的系统性能。