Руководство по применению IGBT и IPM. Руководство по применению биполярных транзисторов с изолированным затвором
 Скачать 1.65 Mb.
|
|
2.4. Расчет теплового режима При работе силовые устройства, содержащиеся в IGBT и “разум- ных” силовых модулях, будут иметь потери мощности в проводящем состоянии и при переключениях. Тепло, вырабатывающееся в резуль- тате этих потерь, должно отводиться от силовых чипов в окружающую среду при помощи теплоотводов. Если охлаждение недостаточно эф- фективно, силовые устройства будут перегреваться, что может при- вести к выходу их из строя. - 23 -  Таблица 2.1. Рекомендации по проектированию снабберов и силовых цепей 1 - тип модуля (сборка из 6,7; сдвоенные, одинарные) 2 - индуктивность сетевой шины (нГн) 3 - тип снаббера 4 - индуктивность контура снаббера (нГн) 5 - емкость конденсатора цепи снаббера (мкФ) 6 - диод снаббера * При высоких напряжениях шины постоянного тока может быть необходим снаббер, показанный на рис.2.6С. В этом случае пользуйтесь рекомендациями, данными для одинарных модулей. Во многих применениях максимальная допустимая выходная мощ- ность модуля будет ограничена тепловым режимом системы. 2.4.1. Определение потерь мощности Первым шагом в расчете теплового режима является оценка сум- марных потерь мощности. В силовых электронных цепях, использующих IGBT, должны учитываться два наиболее важных источника рассеяния мощности - потери в проводящем состоянии и при переключениях. - 24 - Потери в проводящем состоянии Эти потери возникают тогда, когда IGBT находится в открытом состоянии и проводит ток. Общая мощность рассеяния на интервале проводимости вычисляется путем умножения напряжения насыщения в открытом состоянии на ток, протекающий через IGBT. В применениях с ШИМ потери в проводящем состоянии должны быть умножены на коэф- фициент заполнения для получения средней мощности рассеяния. В первом приближении потери в проводящем состоянии могут быть полу- чены умножением регламентированного напряжения VCE(sat) IGBT на предполагаемый средний ток устройства. В большинстве случаев фак- тические потери будут меньше, потому что напряжение VCE(sat) ни- же, чем справочное значение, при токах, меньших регламентирован- ного значения IC. При переключениях индуктивных нагрузок должны учитываться потери в проводящем состоянии рекуперационного диода. Потери рекуперационного диода могут быть оценены приблизительно путем умножения справочного значения VFM на предполагаемый сред- ний ток диода. Потери при переключениях Потерями при переключениях является мощность, рассеиваемая транзисторами в течение времени включения и выключения. При час- тотах ШИМ свыше 5 кГц эти потери могут быть существенными и долж- ны учитываться при расчете теплового режима IGBT. Наиболее точным методом определения указанных потерь является построение графиков кривых IC и VCE в течение процесса переключения. Перемножая кри- вые точка за точкой, можно получить непрерывную форму волны мощ- ности. Площадь под кривой мощности - это энергия переключений, выраженная в Дж/импульс. Эта площадь обычно вычисляется методом графического интегрирования. Цифровые осциллографы, которые могут производить обработку входных сигналов, значительно упрощают рас- четы потерь при переключениях. Полная энергия переключений - это сумма энергий при включении и выключении. Средняя мощность, рас- сеиваемая при переключении, вычисляется умножением частоты ШИМ на полную энергию переключений. На рисунках 2.9., 2.10. и 2.11. представлена зависимость энергии переключений от тока коллектора для IGBT модулей Н-серий 600 В, 1200 В и 1400 В. Так как эти кривые получены для полумос- товой схемы с индуктивной нагрузкой, они основываются на переклю- - 25 - чаемом токе в нагрузке и содержат потери при включении, создавае- мые током восстановления рекуперационного диода противоположного плеча. Для определения средних потерь мощности при переключениях найдите по кривым значения ESW(on) и ESW(off) при ожидаемом рабочем токе. Затем определяется средняя мощность рассеяния: PSW = fPWM (ESW(on) + ESW(off)) Эти кривые могут быть использованы для приближенного опреде- ения потерь. Уточненный расчет потерь при переключениях всегда должен быть выполнен с реальными кривыми, полученными при наихуд- ших условиях работы.  Рис 2.9. Потери при переключениях для IGBT модулей Н-серий класса 600 В. 1 - потери при включении (мДж/импульс) 2 - потери при выключении (мДж/импульс) - 26 -  Рис 2.10. Потери при переключениях для IGBT модулей Н-серий класса 1200 В.  Рис 2.11. Потери при переключениях для IGBT модулей Н-серий класса 1400 В. - 27 - 2.4.2. Расчет потерь инвертора переменного напряжения и переменной частоты (VVVF) Типовым применением силовых модулей является инвертор пере- менного напряжения и переменной частоты (VVVF). В VVVF инверторах ШИМ модуляция применяется для синтезирования синусоидальных вы- ходных токов. В данном применении ток IGBT и рабочий цикл посто- янно изменяются, сильно затрудняя определение потерь. Нижеприве- денные уравнения могут быть использованы для определения потерь в VVVF применениях. Фактические потери будут зависеть от температу- ры, частоты переключений, пульсаций выходного тока и других фак- торов. На рисунке 2.12. представлены типичная схема VVVF инверто- ра и выходная характеристика.  Рис.2.12. Схема VVVF инвертора и выходная характеристика. Уравнение для расчета потерь мощности. А. Потери IGBT (1) Потери в открытом состоянии, приведенные к одному IGBT (2) Потери при переключении, приведенные к одному IGBT (3) Суммарные потери, приведенные к одному IGBT PC = PSS + PSW - 28 - B. Потери диода (1) Потери в открытом состоянии, приведенные к одному диоду (2) Потери при переключении рекуперационного диода включены в ESW(on) IGBT C. Потери для одного плеча (заштрихованная площадь на рис. 2.12.). PA = PC + PD = PSS + PSW + PD Обозначения ESW(on) - Энергия включения IGBT, приведенная к одному им- пульсу, при амплитудном значении тока ICP и T = 125°С ESW(off) - Энергия выключения IGBT, приведенная к одному им- пульсу, при амплитудном значении тока ICP и T = 125°С fSW - Частота ШИМ переключений для каждого переключае- мого плеча инвертора (обычно fSW = fC) ICP - Амплитудное значение синусоидального выходного тока (обычно ICP = IEP) VCE(sat) - Напряжение насыщения IGBT при ICP и T = 125°C VEC - Прямое падение напряжения рекуперационного диода при токе IEP D - Коэффициент заполнения ШИМ O - Фазовый угол между выходным напряжением и током (коэффициент мощности = cos O) 2.4.3. Определение средней температуры p - n перехода Чипы IGBT в силовых модулях имеют максимальную регламентиро- ванную температуру p - n перехода 150 С. Этот номинал нельзя пре- вышать ни при каких условиях. Правильное проектирование ограничи- вает температуру p - n перехода в наихудшем случае до 125 С или меньше. Надежность модуля может быть улучшена при работе p -n пе- - 29 - рехода на более низких температурах. Если известны суммарная средняя мощность рассеяния в полупроводниковом устройстве и тем- пература базовой пластины модуля, температуру p -n перехода можно определить, используя концепцию теплового сопротивления (см. рис.2.13.). Тепловое сопротивление (Rth) указано в справочных данных силовых модулей. Температура p -n перехода определяется из следующего уравнения: Tj = TC + PT Rth(j-c) где Rth(j-c) - регламентированное тепловое сопротивление “p - n переход - корпус”; Tj - температура p - n перехода; PT - суммарная средняя мощность, рассеиваемая в устройстве (PSW + PSS); TC - температура базовой пластины модуля.  Рис. 2.13. Схема теплового расчета 1 - потери IGBT в открытом режиме 2 - потери рекуперационного диода (FWD) в открытом режиме 3 - n - количество пар IGBT/FWD в каждом модуле Используя соответствующие величины Rth(j-c) и PT вышеприве- денное уравнение может быть применимо для определения температуры p -n перехода как для IGBT, так и рекуперационного диода. - 30 - Для начального этапа проектирования систем теплоотвода, ве- ичину контактного теплового сопротивления можно взять из спра- вочных данных для силовых модулей. Указанное сопротивление - это тепловое сопротивление между модулем и теплоотводом. Регламенти- рованное значение Rth(j-c) является максимальным, учитывающим не- ровности в плоскости базовой платы. Регламентированное значение Rth(j-c) также предполагает, что между модулем и теплоотводом ис- пользуется термокомпаунд. Наилучшие результаты дает однородный слой нелетучей силиконовой термосмазки толщиной приблизительно 150 мкм. Следует отметить, что типовое значение теплового сопро- тивления Rth(j-c) составляет менее 50% его максимальной величины. Температура базовой платы модуля может быть определена с помощью следующего уравнения: TC = Ta + PT (Rth(c-f) + Rth(f-a)) где PT - суммарная мощность, рассеиваемая в паре “рекуперационный диод - IGBT”; Rth(c-f) - тепловое сопротивление между модулем и теплоотводом Rth(f-a) - тепловое сопротивление между теплоотводом и окружающей средой (указывается производителем теплоотвода) Величина Rth(c-f) устанавливается для пары “рекуперационный диод - IGBT”. Полным контактным тепловым сопротивлением для дан- ного модуля является регламентированное значение Rth(c-f), делен- ное на число пар “IGBT - рекуперационный диод” в каждом модуле (см. рис.2.13.). Окончательный тепловой расчет должен быть выпол- нен с использованием измерений температуры базовой пластины и суммарных потерь мощности при наихудших условиях. 2.4.4. Определение переходного подъема температуры p - n перехода Для коротких импульсов (малый коэффициент заполнения) ис- пользование величины теплового сопротивления IGBT в открытом сос- тоянии даст постоянную температуру p - n переходов. Кроме того, - 31 - использование среднего значения мощности рассеяния даст уменьшен- ное значение максимальной температуры p - n перехода. Решением этой проблемы является использование кривых переходного теплового импеданса (на рис.2.14. представлены типовые кривые переходного термоимпеданса). Для силовых устройств с одиночным импульсом или очень малым коэффициентом заполнения максимальная допустимая мощ- ность рассеяния в течение переходного периода может быть значи- тельно больше, чем способность рассеяния в открытом состоянии.  Рис.2.14. Кривые переходного теплового импеданса 1 - нормированный переходный тепловой импеданс; 2 - нормированное значение; 3 - характеристики переходного теплового импеданса (для IGBT); 4 - характеристики переходного теплового импеданса (для ре- куперационного диода) 2.4.5. Монтаж теплоотвода При установке модулей IGBT на теплоотвод избегайте неравно- мерных механических напряжений . Рекомендуется теплоотвод с не- ровностью поверхности не более 150 мкм. На рис. 2.15. показан ре- комендуемый порядок закручивания крепежных винтов. Нарушение рав- номерности усилия при затягивании винтов может вызвать растрески- вание керамической изоляции модулей. Не затягивайте винты в выводах модуля или в его крепежных - 32 - отверстиях с чрезмерным усилием. Максимальные значения усилия за- тягивания указаны в справочных данных. При затягивании крепежных винтов с требуемым усилием следует использовать динамометрический гаечный ключ. Для хорошей теплоотдачи увеличивайте площадь контакта плас- тины основания с теплоотводом. Теплоотвод должен иметь чистоту обработки поверхности не более 6 мкм. Применяйте тепловой переходный компаунд. Выбирайте компаунд, имеющий стабильные характеристики во всем рабочем диапазоне тем- ператур и не изменяющий свои свойства за время службы оборудова- ния (см. табл. 2.2.).  Рис. 2.15. Рекомендуемый порядок закручивания монтажных винтов 1 - двухточечный тип монтажа; 2 - четырехточечный тип монтажа; 3 - предварительное завинчивание; 4 - окончательная затяжка. - 33 -  Табл. 2.2. Компаунды теплоотводов 1 - производитель 2 - тип 3 - * покрытый термослой 2.4.6. Циклические изменения мощности Важным моментом при проектировании теплоотвода является диа- пазон температур Tj , в котором p - n переход будет претерпевать циклические изменения температуры при работе в реальных схемах. Здесь вопрос касается термической усталости: так как части компо- нентов модуля нагреваются и остывают благодаря мощности рассеяния коллектора, в кристалле модуля возникают механические усилия, вызванные различием коэффициентов расширения разных материалов компонентов. Такое расширение вызывает в средних слоях кристалла деформации изгиба и сдвига. При накоплении циклов напряженного состояния структура сборки может ухудшиться, вызывая в конце кон- цов повреждение кристалла. Изучение этого явления включает тести- рование в разнообразных точках для построения кривых, показываю- щих зависимость длительности жизни при циклических изменениях мощности от изменений Tj. Эти кривые относятся к определенным температуре, времени и рабочему диапазону. На рис.2.16. представ- ена кривая, построенная для модулей IGBT Н-серий при использова- нии схемы проверки, показанной на рис.2.17. Имеющаяся информация показывает, что термической усталости не происходит при поддержании Tj ниже 30°С. Применения, включаю- щие большое число циклических изменений мощности в сочетании с изменениями температуры p -n перехода свыше 30°С, следует деталь- но пересмотреть совместно со специалистами по эксплуатации фирмы Митсубиси. - 34 -  Рис. 2.16. Кривая длительности жизни при циклических изменениях мощности 1 - критерий выхода из строя транзистора (норматив выхода из строя - 10)% 2 - количество циклов  Рис. 2.17. Схема испытаний 1 - схема управления 2 - индикатор температуры 3 - проверяемое устройство |