工程师详解：如何通过IGBT热计算来优化电源设计
品慧电子讯大家所知道的半导体组件结温计算方法，对于IGBT而言，这种方法被证实不足以胜任。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，以达到电源优化的目的。大家都知道多数半导体组件结温的计算过程。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。下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123下一页> - 第一页：功率计算（1）
- 第二页：功率计算（2）
- 第三页：裸片温度计算、IGBT裸片温度
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。<上一页123下一页> - 第一页：功率计算（1）
- 第二页：功率计算（2）
- 第三页：裸片温度计算、IGBT裸片温度
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°CRΘJC-IGBT= 0.470 °C/WPD-IGBT= 65 WPD-DIODE= 35 WPsi交互影响= 0.15°C/WIGBT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。<上一页123 - 第一页：功率计算（1）
- 第二页：功率计算（2）
- 第三页：裸片温度计算、IGBT裸片温度
