【導(dǎo)讀】功率二極管晶閘管廣泛應(yīng)用于AC/DC變換器,UPS,交流靜態(tài)開關(guān),SVC和電解氫等場合,但大多數(shù)工程師對這類雙極性器件的了解不及對IGBT的了解,為此我們組織了6篇連載,包括正向特性,動態(tài)特性,控制特性,保護(hù)以及損耗與熱特性。內(nèi)容摘來自英飛凌《雙極性半導(dǎo)體技術(shù)信息》。
4.熱性質(zhì)
為了維持熱平衡,必須排出半導(dǎo)體中轉(zhuǎn)化為熱的電能損耗。為此,我們提供了具有明確冷卻性質(zhì)的散熱器。通過類比電氣電路來描述熱等效電路,如圖32所示。
圖32.二極管和晶閘管的熱等效電路
Rth JC=結(jié)-殼穩(wěn)態(tài)熱阻
Rth CH=殼-散熱器穩(wěn)態(tài)熱阻
Rth HA=散熱器穩(wěn)態(tài)熱阻
a–單面冷卻
b–雙面冷卻
4.1 溫度
4.1.1 結(jié)溫Tvj,Tvj max
對于所有基本電氣性能而言,結(jié)溫是最重要的參照。它代表半導(dǎo)體系統(tǒng)內(nèi)的平均空間溫度,因此更準(zhǔn)確地稱為等效結(jié)溫或虛擬結(jié)溫。
最高允許結(jié)溫Tvj max對器件的功能和可靠性十分重要。如果超過Tvj max,半導(dǎo)體性能可能發(fā)生不可逆變化,并可能損壞。
4.1.2 殼溫TC
Tc是平板型晶閘管或二極管的殼或PowerBLOCK模塊的基板的接觸區(qū)域的最高溫度。
4.1.3 散熱器溫度TH
TH是指半導(dǎo)體通過散熱器接觸區(qū)域及其周圍的冷卻介質(zhì)與散熱器發(fā)生熱交換而使散熱器達(dá)到的溫度。
英飛凌提供的散熱器已在裝好元器件的情況下進(jìn)行了測試和規(guī)定。因此,給出的散熱器數(shù)據(jù)包含了器件和散熱器之間的熱阻RthCH。計(jì)算時(shí)可以不考慮此值。
4.1.4 冷卻介質(zhì)溫度TA
Ta是冷卻介質(zhì)進(jìn)入散熱器之前的溫度。對于空氣冷卻,在散熱器進(jìn)風(fēng)口側(cè)確定此溫度。對于液體冷卻,則在散熱器冷卻液進(jìn)口處確定此溫度。
4.1.5 殼溫范圍Tcop
Tcop是可以使功率半導(dǎo)體工作的殼溫范圍。
4.1.6 儲存溫度范圍Tstg
Tstg是功率半導(dǎo)體在不帶電情況下可以存儲的溫度范圍。最高允許儲存溫度與沒有時(shí)間限制的最高允許結(jié)溫?zé)o關(guān),根據(jù)DIN IEC 60747-1,環(huán)氧樹脂平板型器件和PowerBLOCK模塊的最高允許儲存溫度為Tstg= 150℃,時(shí)間限制為672h。
4.2 熱阻
4.2.1 內(nèi)熱阻RthJC
RthJC是結(jié)溫Tvj和殼溫TC之差與總耗散功率Ptot的比值:
該值取決于器件的內(nèi)部設(shè)計(jì)以及通態(tài)電流的波形和頻率。
由于熱阻的并聯(lián),雙面冷卻的熱阻比單面冷卻的低(見圖32)。
熱阻取決于半導(dǎo)體的類型和形狀,因此不會100% 測量,但可以在最初的型式認(rèn)證試驗(yàn)中確定。
4.2.2 傳熱熱阻RthCH
RthCH是器件和散熱器接觸區(qū)域的溫度差TC-TH與總耗散功率Ptot的比值:
規(guī)定值僅在器件正確安裝時(shí)有效(見第8章)
4.2.3 散熱器熱阻RthCA
RthCA是殼溫TC和冷卻介質(zhì)溫度TA之差與總耗散功率 Ptot的比值:
4.2.4 總熱阻RthJA
RthJA是等效結(jié)溫Tvj和冷卻介質(zhì)溫度TA之差與總耗散功率Ptot的比值:
4.2.5 瞬態(tài)內(nèi)熱阻ZthJC
ZthJC描述了元件熱阻隨時(shí)間的逐漸變化。在數(shù)據(jù)手冊中,ZthJC是用恒定直流規(guī)定的,還有一部用脈沖電流規(guī)定。此外,部分熱阻Rthn和時(shí)間常數(shù)tn被作為解析函數(shù)編在表中。
4.2.6 散熱器瞬態(tài)熱阻ZthCA
ZthCA描述了散熱器熱阻隨時(shí)間的逐漸變化。ZthCA在單獨(dú)數(shù)據(jù)手冊中有定義。此外,熱阻解析函數(shù)的 RthCAn和tn值被列于表格中。散熱器通常沒有一般定義的瞬態(tài)熱阻。一方面,瞬態(tài)熱阻取決于功率半導(dǎo)體和散熱器的接觸區(qū)域。另一方面,冷卻方法(自然冷卻/強(qiáng)制冷卻)和冷卻介質(zhì)的流動也有很大的影響。
對于自然冷卻和油冷,冷卻介質(zhì)的流動是由空氣或油的對流造成的。功率耗散限定了對流,因此實(shí)際功率耗散是針對自然冷卻和油冷確定的。必須注意散熱器的正確方向和位置。
對于強(qiáng)制冷卻和水冷,冷卻介質(zhì)的流量是指定的。
因脈沖電流造成的短期溫度變化與這些參數(shù)無關(guān)。它們被散熱器的大熱容量均衡了。
英飛凌提供的散熱器已在裝好元器件的情況下進(jìn)行了測試和規(guī)定。這些給定的散熱器數(shù)據(jù)包含了器件和散熱器之間的傳熱熱阻RthCH。因此,不必考慮此值。
4.2.7 總瞬態(tài)熱阻ZthJA
ZthJA描述了總熱阻隨時(shí)間的逐漸變化。根據(jù)瞬態(tài)總熱阻計(jì)算短時(shí)負(fù)載結(jié)溫。ZthJA是以下兩項(xiàng)的和:
4.3 冷卻
4.3.1 自然空氣冷卻
在自然空氣冷卻(空氣對流冷卻)過程中,通過空氣自然對流排出功率損耗。功率半導(dǎo)體的載流能力通常是在環(huán)境溫度TA=45°C的條件下確定的。
4.3.2 強(qiáng)制空氣冷卻
在強(qiáng)制空氣冷卻過程中,通過風(fēng)扇使冷空氣強(qiáng)制通過散熱器葉片。功率半導(dǎo)體的載流能力通常是在環(huán)境溫度TA=35°C的條件下確定的。
4.3.3 水冷
在水冷過程中,通過水排出功率損耗。功率半導(dǎo)體的載流能力通常是在進(jìn)口水溫TA=25°C的條件下確定的。
4.3.4 水冷
在油冷過程中,通過油排出功率損耗。功率半導(dǎo)體的載流能力通常是在進(jìn)口油溫TA=70°C的條件下確定的。
來源:英飛凌
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