【導讀】功率半導體熱設計是實現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎,只有掌握功率半導體的熱設計基礎知識,才能完成精確熱設計,提高功率器件的利用率,降低系統(tǒng)成本,并保證系統(tǒng)的可靠性。
前言
功率半導體熱設計是實現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎,只有掌握功率半導體的熱設計基礎知識,才能完成精確熱設計,提高功率器件的利用率,降低系統(tǒng)成本,并保證系統(tǒng)的可靠性。
功率器件熱設計基礎系列文章會比較系統(tǒng)地講解熱設計基礎知識,相關標準和工程測量方法。
上一篇講了兩種熱等效電路模型,Cauer模型和Foster模型,這一篇以二極管的浪涌電流為例,講清瞬態(tài)熱阻曲線的應用。
浪涌電流
二極管的浪涌電流能力是半導體器件的一個重要參數(shù)。在被動整流應用中,由于電網的頻率是50Hz,因此10ms的二極管電流能力一般作為表征這一性能的參數(shù)被寫入器件數(shù)據(jù)手冊中。但是也有一些應用場合其時間是不同的,比如電網頻率是60Hz,或者半導體器件IGBT短路,直流側能量通過二極管放電,因此在這些特定場合條件下需要利用瞬態(tài)熱阻計算不同時間尺度下二極管能承受的浪涌電流。
浪涌電流導致的二極管失效表明失效點來自鋁金屬化層的熱失效,然后導致二極管PN結損壞,因此普遍認為二極管在承受高浪涌電流時,能量或者熱是導致失效的根本原因,也就是說溫度變化是直接導致器件損壞。下圖是二極管損壞的照片,照片中紅色箭頭標識的位置出現(xiàn)熔化。
圖1.浪涌電流條件下,二極管芯片損壞照片
下面從能量角度分析,設E為這一過程中的由于大電流產生的能量:
在這一工作過程中,我們把V-I關系做線性化處理:
當電流比較大時,V0可以被忽略,通過積分可以得到:
在上式中,R表示二極管V-I曲線的斜率,IFSM表示浪涌電流大小,tp指對應的時間。
另一方面,我們假定芯片的溫度變化Delta T可以用如下公式表示:
從上式可以得出,如果我們認定溫度變化是導致芯片在浪涌大電流損壞的主要原因時,就可以認為zthjcI2FSM一個常量。
如上文中談到的,一般的數(shù)據(jù)手冊中會給出10ms的二極管浪涌電流值,同時熱阻曲線也會給出,依據(jù)以上公式就可以計算任何時間的二極管浪涌電流大小了。
瞬態(tài)熱阻曲線的應用
如下通過一個實例計算FF600R17ME4的二極管電流以及I2t隨時間變化的曲線,便于在應用系統(tǒng)中和熔斷保護器匹配使用。以下舉例計算FF600R17ME4器件在100ms的浪涌電流。
圖2.FF600R17ME4二極管熱阻曲線
首先,借助動態(tài)熱阻曲線的四階參數(shù),可以計算得到10ms時的動態(tài)熱阻值為0.02384,同樣也可以計算得到100ms的動態(tài)熱阻為0.0622。
從FF600R17ME4的數(shù)據(jù)手冊可以查到在10ms時,器件的I2t為32000,因此可以計算浪涌電流值為1789A。
接下來用上述公式(1)計算得到100ms的浪涌電流值為1108A。圖3為按照上述方法計算得到的不同時間的浪涌電流值曲線。得到浪涌電流值后,在不同時間的I2t同樣也可以計算,圖4所示為不同時間相對于10ms時的關系曲線。
圖3.通過公式計算的浪涌電流隨時間的變化曲線
圖4.FF600R17ME4 I2t隨時間變化的標幺值
小結
計算半導體器件二極管的浪涌電流的過程如下:
1.從數(shù)據(jù)手冊熱阻曲線中查到該時間條件下瞬態(tài)熱阻值
2.根據(jù)公式(1)計算浪涌電流
3.如果要計算和熔斷保護器匹配的I2t,利用上述電流計算就可以
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