如何測(cè)量功耗并計(jì)算二極管和IGBT芯片溫升

與大多數(shù)功率半導(dǎo)體相比，IGBT 通常需要更復(fù)雜的一組計(jì)算來(lái)確定芯片溫度。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù) IGBT 都采用一體式封裝，同一封裝中同時(shí)包含 IGBT 和二極管芯片。為了知道每個(gè)芯片的溫度，有必要知道每個(gè)芯片的功耗、頻率、θ 和交互作用系數(shù)。還需要知道每個(gè)器件的 θ 及其交互作用的 psi 值。

本應(yīng)用筆記將簡(jiǎn)單說(shuō)明如何測(cè)量功耗并計(jì)算二極管和 IGBT 芯片的溫升。

損耗組成部分 ? ?

根據(jù)電路拓?fù)浜凸ぷ鳁l件，兩個(gè)芯片之間的功率損耗可能會(huì)有很大差異。IGBT 的損耗可以分解為導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)（開(kāi)通和關(guān)斷）損耗，而二極管損耗包括導(dǎo)通和關(guān)斷損耗。準(zhǔn)確測(cè)量這些損耗通常需要使用示波器，通過(guò)電壓和電流探針監(jiān)視器件運(yùn)行期間的波形。測(cè)量能量需要用到數(shù)學(xué)函數(shù)。確定一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的總能量后，將其除以開(kāi)關(guān)周期時(shí)間便可得到功耗。

圖 1. TO?247 封裝，顯示了 IGBT 芯片（左）和二極管芯片（右）

IGBT開(kāi)通 ? ?

圖 2. IGBT 開(kāi)通損耗波形

將開(kāi)通波形的電壓和電流相乘，即可計(jì)算出該周期的功率。功率波形的積分顯示在屏幕底部。這就得出了 IGBT 開(kāi)通損耗的能量。

功率測(cè)量開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)可以任意選擇，但是一旦選定了一組標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量就應(yīng)始終遵循這些標(biāo)準(zhǔn)。

IGBT導(dǎo)通損耗 ? ?

圖 3. IGBT 傳導(dǎo)損耗波形

導(dǎo)通損耗發(fā)生在開(kāi)通損耗區(qū)和關(guān)斷損耗區(qū)之間。同樣應(yīng)使用積分，因?yàn)?strong>該周期內(nèi)的功率并不是恒定的。

IGBT關(guān)斷 ? ?

圖 4. IGBT 關(guān)斷損耗波形

開(kāi)通、導(dǎo)通和關(guān)斷損耗構(gòu)成了 IGBT 芯片損耗的總和。關(guān)斷狀態(tài)損耗可以忽略不計(jì)，不需要計(jì)算。為了計(jì)算 IGBT 的總功率損耗，須將這三個(gè)能量之和乘以開(kāi)關(guān)頻率。

IGBT 損耗必須使用阻性負(fù)載或在負(fù)載消耗功率的部分周期內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。這樣可消除二極管導(dǎo)通。

圖 5. 二極管導(dǎo)通損耗波形

FWD反向恢復(fù) ? ?

圖 6. 二極管反向恢復(fù)波形

圖 5 和圖 6 顯示了二極管在整流器或電抗模式下工作期間的電流和電壓波形。二極管損耗的計(jì)算類似于 IGBT 損耗。

需要了解的是，損耗以半正弦波變化。需要考慮從峰值到過(guò)零的變化，以得出器件的平均功耗。

IGBT 和二極管功耗計(jì)算 ? ?

測(cè)量完這五個(gè)損耗分量后，需要將它們與測(cè)量條件相關(guān)聯(lián)，以便計(jì)算每個(gè)芯片的總功耗。

圖 7. 感性負(fù)載波形

圖 7 顯示了感性負(fù)載（如電機(jī)）的典型電壓和電流波形。

從 t0 到 t1，電流為電抗性，二極管傳導(dǎo)電流。

從 t1 到 t2，電流為阻性，IGBT 傳導(dǎo)電流。

這些時(shí)間段的功耗具有重要價(jià)值?；趩蝹€(gè)脈沖計(jì)算每個(gè)時(shí)間段的平均功耗非常復(fù)雜，但我們可以合理的精度進(jìn)行估算。為此，我們需要計(jì)算該時(shí)間段的平均功耗。

在這種情況下，有必要計(jì)算平均（或加熱）當(dāng)量。對(duì)于電壓和電流值，它是均方根值；對(duì)于功率，它是平均值。

平均功耗 ? ?

此公式計(jì)算的是正弦波每個(gè)四分之一部分的功率，因此要進(jìn)行校正，我們需要在分母中添加一個(gè)因子 4。只要電壓過(guò)零點(diǎn)在 0° 和 90°之間（對(duì)于感性負(fù)載必定如此），這就是有效的，故公式變?yōu)椋?/p>

二極管 ? ?

二極管在 t0 到 t1 期間傳導(dǎo)電流。利用電壓過(guò)零點(diǎn)的波形可得出二極管的峰值功耗。知道此功耗值后，我們可以使用 t0 到 t1 期間的平均功耗公式來(lái)求得二極管的平均功耗。

此時(shí)間段的示例計(jì)算如下所示。

PDIODEpk = 50 W（在電壓過(guò)零點(diǎn)）

T = 20 ms（50 Hz 正弦波）

t0 =0

t1 = 2.5 ms

2 W 功率出現(xiàn)在進(jìn)入周期后的 2.5 ms 時(shí)。要計(jì)算正弦波峰值處的等效功率，我們需要比較這兩點(diǎn)的幅度。

峰值幅度出現(xiàn)在 90° 或 π/2 弧度處，相當(dāng)于幅度 1。2.5 ms 處的幅度為 sin(π × 2.5 ms/10 ms) 或 0.707，因此正弦波峰值處的功率為：

IGBT ? ?

對(duì)于正電壓半周期，IGBT 在 t1 到 t2 期間傳導(dǎo)電流。IGBT 的平均功耗計(jì)算與二極管功耗的計(jì)算方法類似。其示例計(jì)算如下所示。

PIGBTpk = 95W

T = 20 ms（50 Hz 正弦波）

T1 = 2.5 ms

T2 = 10 ms (T/2)

對(duì)于 IGBT 分析，我們將計(jì)算完整半正弦波期間 (t0 – t2) 的 IGBT 功耗，然后計(jì)算二極管導(dǎo)通期間 (t0 – t1) 的 IGBT 功耗，再?gòu)那耙还闹袦p去后一功耗。

然后計(jì)算二極管導(dǎo)通期間的功耗

由于 t2 = T/2，故公式變?yōu)?/p>

芯片溫度計(jì)算 ? ?

一旦計(jì)算出兩個(gè)芯片的功耗值，就可以使用數(shù)據(jù)表中的曲線計(jì)算芯片溫度。兩個(gè)芯片的溫度一般不相同。每個(gè)芯片有一個(gè) θ，并有一個(gè)交互作用系數(shù) Psi。

θ 是從芯片到封裝外殼或引線的熱阻，它有不同的名稱，例如 RΘJC 是結(jié)至外殼熱阻。Psi 是一個(gè)常數(shù)，表示芯片中未被計(jì)算的熱效應(yīng)。它基于芯片之間的距離。

通常，對(duì)于 IGBT 使用的大多數(shù) TO-247 和 TO-220 封裝，0.15°C/W 是一個(gè)合理的估計(jì)值。

圖 8. IGBT 熱曲線

圖 9. 二極管熱曲線

圖 8 和圖 9 顯示了典型封裝中 IGBT 和二極管的熱響應(yīng)曲線。曲線上給出了直流值。對(duì)于 IGBT，它是 0.486°C/W；對(duì)于二極管，它是 1.06°C/W。

為了計(jì)算給定功率水平對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)溫度，只需要功耗值、直流 θ 和外殼溫度。計(jì)算如下：

示例：

TC = 70°C

RΘJC-IGBT = 0.486°C/W

RΘJC-diode = 1.06°C/W

PD-IGBT = 54.84 W

PD-DIODE = 6.60 W

交互作用系數(shù) Psi = 0.15°C/W

IGBT 的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫為：

TJ-IGBT = 97.6°C（平均結(jié)溫）

二極管的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫為：

TJ-DIODE = 85.2°C（平均結(jié)溫）

為了計(jì)算峰值結(jié)溫，我們可以將脈沖值增加到穩(wěn)態(tài)（或平均）溫度中。此計(jì)算需要上述計(jì)算得出的結(jié)溫，并加上瞬時(shí)溫度變化。

唯一需要的新常數(shù)是 IGBT 或二極管對(duì)于所需脈沖寬度的脈沖值。在 50 Hz 的線頻率下，半周期的時(shí)間為 10 ms。根據(jù)圖 8，對(duì)于 10 ms 脈沖和 50% 占空比，RIGBT 值為 0.375°C/W；根據(jù)圖 9，相同條件下的 RDIODE 值為 0.95°C/W。

基本公式如下：