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标题: 透过IGBT热计算来优化电源设计 [打印本页]

作者: 520503 时间: 2015-1-19 22:44 标题: 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。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。

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