透過IGBT熱計算來優化電源設計

某些IGBT是單裸片組件，要么結合單片二極管作，要么不結合二極管；然而，大多數IGBT結合了聯合封裝的二極管。大多數制造商提供單個θ值，用于計算結點至外殼熱阻抗。這是一種簡化的裸片溫度計算方法，會導致涉及到的兩個結點溫度分析不正確。對于多裸片組件而言，θ值通常不同，兩個裸片的功率耗散也不同，各自要求單獨計算。此外，每個裸片互相提供熱能，故必須顧及到這種交互影響。

本文將闡釋怎樣量測兩個組件的功率耗散，使用IGBT及二極管的θ值計算平均結溫及峰值結溫。

圖1：貼裝在TO-247封裝引線框上的IGBT及二極管。功率計算

電壓與電流波形必須相乘然后作積分運算以量測功率。雖然電壓和電流簡單相乘就可以給出瞬時功率，但無法使用這種方法簡單地推導出平均功率，故使用了積分來將它轉換為能量。然后，使用不同損耗的能量之和以計算波形的平均功率。

在開始計算之前定義導通、導電及關閉損耗的邊界很重要，因為如果波形的某些區域遺漏了或者是某些區域被重復了，它們可能會給量測結果帶來誤差。本文的分析中將使用10%這個點；然而，由于這是一種常見方法，也可以使用其他點，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將導電，而二極管不導電。為了量測二極管損耗，要求像電機這樣的無功負載，且需要捕獲電流處于無功狀態(如被饋送回電源)時的波形。

圖2：IGBT導通波形。

導通時，應當量測起于IC電平10%終于10% V_CE點的損耗。這些電平等級相當標準，雖然這樣說也有些主觀性。如果需要的話，也可以使用其他點。無論選擇何種電平來量測不同間隔，重要的是保持一致，使從不同 組件獲取的數據能夠根據相同的條件來比較。功率根據示波器波形來計算。由于它并非恒定不變，且要求平均功率，就必須計算電源波形的積分，如波形跡線的底部 所示，本案例中為674.3 μW(或焦耳)。

圖3：IGBT關閉波形。

與之類似，關閉損耗的量測如下圖所示。

圖4：IGBT導電損耗波形。

導電損耗的量測方式類似。它們應當起于導通損耗終點，終于關閉損耗起點。這可能難于精確量測，因為導電損耗的時間刻度遠大于開關損耗。

圖5：二極管關閉波形。

必須獲取在開關周期的部分時段(此時電流為無功模式使二極管導電)時的二極管導通損耗資料。通常量測峰值、負及反向導電電流10%點的資料。

圖6：二極管導電損耗波形。

二極管導電損耗是計算IGBT封裝總損耗所要求的最后一個損耗成分。當計算出所有損耗之后，它們需要應用于以工作模式時長為基礎的總體波形。當增加并顧及到這些能量之后，它們可以一起相加，并乘以開關頻率，以獲得二極管及IGBT功率損耗。裸片溫度計算

為了精確計算封裝中 兩個裸片的溫度，重要的是計算兩個裸片之間的自身發熱導致的熱相互影響。這要求3個常數：IGBT的θ值、IGBT的θ值，以及裸片交互影響ψ(Psi)。某些制造商會公布封裝的單個θ值，其中裸片溫度僅為估計值，實際上精度可能差異極大。

安森美半導體IGBT組件的數據表中包含IGBT及二極管θ值圖表。穩態θ值如圖7及圖8中的圖表所示。IGBT的θ值為0.470 °C/W，二極管為1.06 °C/W。計算中還要求另一項熱系數，即兩個裸片之間的熱交互影響常數ψ。測試顯示對于TO-247、TO-220及類似封裝而言，此常數約為0.15 °C/W，下面的示例中將使用此常數。

圖7：IGBT瞬時熱阻抗。

圖8：二極管瞬態熱阻抗。

IGBT裸片溫度

IGBT的裸片溫度可以根據下述等式來計算：

假定下列條件：

　　T_C= 82°C

　　RΘ_JC-IGBT= 0.470 °C/W

　　P_D-IGBT= 65 W

　　P_D-DIODE= 35 W

　　P_{si交互影響}= 0.15°C/W

IGBT的裸片溫度就是：

二極管裸片溫度

RΘ_JC-diode= 1.06°C/W

類似的是，二極管裸片溫度為：

峰值裸片溫度

上述分析中計算的溫度針對的是平均裸片溫度。此溫度在開關周期內不斷變化，而峰值裸片溫度可以使用圖7和圖8中的熱瞬時曲線來計算。為了計算，有必要從曲線 中讀取瞬時信息。如果交流電頻率為60 Hz，半個周期就是時長就是8.3 ms。因此，使用8.3 ms時長內的50%占空比曲線，就可以計算Psi值：

　　IGBT 0.36 °C/W

　　二極管 0.70 °C/W

IGBT裸片的峰值溫度就會是：

二極管裸片峰值溫度就是：

結論

評估多裸片封裝內的半導體裸片溫度，在單裸片組件適用技術基礎上，要求更多的分析技術。有必要獲得兩個裸片提供的直流及瞬時熱信息，以計算裸片溫度。還有必要量測兩個組件的功率耗散，分析完整半正弦波范圍抽的損耗。此分析將增強用戶信心，即系統中的半導體組件將以安全可靠的溫度工作，提供最優的系統性能。