大家都知道多數半導體組件結溫的計算過程。通常情況下
，外殼或接腳溫度已知。量測裸片的功率耗散
，並乘以裸片至封裝的熱阻(用theta或θ表示)，以計算外殼至結點的溫升。這種方法適用於所有單裸片封裝
，包括雙極結晶體管(BJT)、MOSFET
、二極管及晶閘管。但對多裸片絕緣柵雙極晶體管(IGBT)而言，這種方法被證實不足以勝任。

 

某些IGBT是單裸片組件，要麼結合單片二極管作，要麼不結合二極管
；然而，大多數IGBT結合了聯合封裝的二極管。大多數製造商提供單個θ值(zhi)，用(yong)於(yu)計(ji)算(suan)結(jie)點(dian)至(zhi)外(wai)殼(ke)熱(re)阻(zu)抗(kang)。這(zhe)是(shi)一(yi)種(zhong)簡(jian)化(hua)的(de)裸(luo)片(pian)溫(wen)度(du)計(ji)算(suan)方(fang)法(fa)，會(hui)導(dao)致(zhi)涉(she)及(ji)到(dao)的(de)兩(liang)個(ge)結(jie)點(dian)溫(wen)度(du)分(fen)析(xi)不(bu)正(zheng)確(que)。對(dui)於(yu)多(duo)裸(luo)片(pian)組(zu)件(jian)而(er)言(yan)，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。

 

下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

 

 

dianyayudianliuboxingbixuxiangchengranhouzuojifenyunsuanyiliangcegonglv。suirandianyahedianliujiandanxiangchengjiukeyigeichushunshigonglv，danwufashiyongzhezhongfangfajiandandituidaochupingjungonglv，gushiyonglejifenlaijiangtazhuanhuanweinengliang。ranhou，shiyongbutongsunhaodenengliangzhiheyijisuanboxingdepingjungonglv。

 

在開始計算之前定義導通

、daodianjiguanbisunhaodebianjiehenzhongyao
，yinweiruguoboxingdemouxiequyuyiloulehuozheshimouxiequyubeizhongfule
，tamenkenenghuigeiliangcejieguodailaiwucha。benwendefenxizhongjiangshiyong10%這個點；然而，由於這是一種常見方法，也可以使用其他點，如5%或20%，隻要它們適用於損耗的全部成分。

 

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
，且需要捕獲電流處於無功狀態(如被饋送回電源)時的波形。

 

 

圖2：IGBT導通波形

 

導通時
，應當量測起於IC電平10%終於10% V_CEdiandesunhao。zhexiedianpingdengjixiangdangbiaozhun
，suiranzheyangshuoyeyouxiezhuguanxing。ruguoxuyaodehua，yekeyishiyongqitadian。wulunxuanzehezhongdianpinglailiangcebutongjiange，zhongyaodeshibaochiyizhi
，shicongbutong 組(zu)件(jian)獲(huo)取(qu)的(de)數(shu)據(ju)能(neng)夠(gou)根(gen)據(ju)相(xiang)同(tong)的(de)條(tiao)件(jian)來(lai)比(bi)較(jiao)。功(gong)率(lv)根(gen)據(ju)示(shi)波(bo)器(qi)波(bo)形(xing)來(lai)計(ji)算(suan)。由(you)於(yu)它(ta)並(bing)非(fei)恒(heng)定(ding)不(bu)變(bian)，且(qie)要(yao)求(qiu)平(ping)均(jun)功(gong)率(lv)，就(jiu)必(bi)須(xu)計(ji)算(suan)電(dian)源(yuan)波(bo)形(xing)的(de)積(ji)分(fen)，如(ru)波(bo)形(xing)跡(ji)線(xian)的(de)底(di)部(bu) 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。它們應當起於導通損耗終點，終於關閉損耗起點。這可能難於精確量測，因為導電損耗的時間刻度遠大於開關損耗。

 

 

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feng裝zhuang總zong損sun耗hao所suo要yao求qiu的de最zui後hou一yi個ge損sun耗hao成cheng分fen。當dang計ji算suan出chu所suo有you損sun耗hao之zhi後hou
，它ta們men需xu要yao應ying用yong於yu以yi工gong作zuo模mo式shi時shi長chang為wei基ji礎chu的de總zong體ti波bo形xing。當dang增zeng加jia並bing顧gu及ji到dao這zhe些xie能neng量liang之zhi後hou，它ta們men可ke以yi一yi起qi相xiang加jia，並bing乘cheng以yi開kai關guan頻pin率lv，以yi獲huo得de二er極ji管guan及jiIGBT功率損耗。

 

 

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)。某些製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係數
，即兩個裸片之間的熱交互影響常數ψ。測試顯示對於TO-247、TO-220及類似封裝而言，此常數約為0.15 °C/W
，下麵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：

 

 

 

評(ping)估(gu)多(duo)裸(luo)片(pian)封(feng)裝(zhuang)內(nei)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)裸(luo)片(pian)溫(wen)度(du)
，在(zai)單(dan)裸(luo)片(pian)組(zu)件(jian)適(shi)用(yong)技(ji)術(shu)基(ji)礎(chu)上(shang)，要(yao)求(qiu)更(geng)多(duo)的(de)分(fen)析(xi)技(ji)術(shu)。有(you)必(bi)要(yao)獲(huo)得(de)兩(liang)個(ge)裸(luo)片(pian)提(ti)供(gong)的(de)直(zhi)流(liu)及(ji)瞬(shun)時(shi)熱(re)信(xin)息(xi)，以(yi)計(ji)算(suan)裸(luo)片(pian)溫(wen)度(du)。還(hai)有(you)必(bi)要(yao)量(liang)測(ce)兩(liang)個(ge)組(zu)件(jian)的(de)功(gong)率(lv)耗(hao)散(san)，分(fen)析(xi)完(wan)整(zheng)半(ban)正(zheng)弦(xian)波(bo)範(fan)圍(wei)抽(chou)的(de)損(sun)耗(hao)。此(ci)分(fen)析(xi)將(jiang)增(zeng)強(qiang)用(yong)戶(hu)信(xin)心(xin)，即(ji)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)組(zu)件(jian)將(jiang)以(yi)安(an)全(quan)可(ke)靠(kao)的(de)溫(wen)度(du)工(gong)作(zuo)
，提(ti)供(gong)最(zui)優(you)的(de)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)。