0
  • 聊天消息
  • 系統(tǒng)消息
  • 評論與回復(fù)
登錄后你可以
  • 下載海量資料
  • 學(xué)習(xí)在線課程
  • 觀看技術(shù)視頻
  • 寫文章/發(fā)帖/加入社區(qū)
會員中心
創(chuàng)作中心

完善資料讓更多小伙伴認(rèn)識你,還能領(lǐng)取20積分哦,立即完善>

3天內(nèi)不再提示

功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)(八)——利用瞬態(tài)熱阻計算二極管浪涌電流

英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體 ? 2024-12-11 01:03 ? 次閱讀

/ 前言 /

功率半導(dǎo)體熱設(shè)計是實現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎(chǔ),只有掌握功率半導(dǎo)體的熱設(shè)計基礎(chǔ)知識,才能完成精確熱設(shè)計,提高功率器件的利用率,降低系統(tǒng)成本,并保證系統(tǒng)的可靠性。

功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)系列文章會比較系統(tǒng)地講解熱設(shè)計基礎(chǔ)知識,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程測量方法。

上一篇講了兩種熱等效電路模型,Cauer模型和Foster模型,這一篇以二極管的浪涌電流為例,講清瞬態(tài)熱阻曲線的應(yīng)用。

浪涌電流

二極管的浪涌電流能力是半導(dǎo)體器件的一個重要參數(shù)。在被動整流應(yīng)用中,由于電網(wǎng)的頻率是50Hz,因此10ms的二極管電流能力一般作為表征這一性能的參數(shù)被寫入器件數(shù)據(jù)手冊中。但是也有一些應(yīng)用場合其時間是不同的,比如電網(wǎng)頻率是60Hz,或者半導(dǎo)體器件IGBT短路,直流側(cè)能量通過二極管放電,因此在這些特定場合條件下需要利用瞬態(tài)熱阻計算不同時間尺度下二極管能承受的浪涌電流。

浪涌電流導(dǎo)致的二極管失效表明失效點來自鋁金屬化層的熱失效,然后導(dǎo)致二極管PN結(jié)損壞,因此普遍認(rèn)為二極管在承受高浪涌電流時,能量或者熱是導(dǎo)致失效的根本原因,也就是說溫度變化是直接導(dǎo)致器件損壞。下圖是二極管損壞的照片,照片中紅色箭頭標(biāo)識的位置出現(xiàn)熔化。

a404d912-b718-11ef-8084-92fbcf53809c.jpg

圖1.浪涌電流條件下,二極管芯片損壞照片

浪涌電流計算

下面從能量角度分析,設(shè)E為這一過程中的由于大電流產(chǎn)生的能量:

a415b3fe-b718-11ef-8084-92fbcf53809c.jpg

在這一工作過程中,我們把V-I關(guān)系做線性化處理:

a42b7f22-b718-11ef-8084-92fbcf53809c.jpg

當(dāng)電流比較大時,V0可以被忽略,通過積分可以得到:

a439b5ec-b718-11ef-8084-92fbcf53809c.jpg

在上式中,R表示二極管V-I曲線的斜率,IFSM表示浪涌電流大小,tp指對應(yīng)的時間。

另一方面,我們假定芯片的溫度變化Delta T可以用如下公式表示:

a44d73e8-b718-11ef-8084-92fbcf53809c.jpg

從上式可以得出,如果我們認(rèn)定溫度變化是導(dǎo)致芯片在浪涌大電流損壞的主要原因時,就可以認(rèn)為zthjcI2FSM一個常量。

如上文中談到的,一般的數(shù)據(jù)手冊中會給出10ms的二極管浪涌電流值,同時熱阻曲線也會給出,依據(jù)以上公式就可以計算任何時間的二極管浪涌電流大小了。

a45fe9e2-b718-11ef-8084-92fbcf53809c.jpg

瞬態(tài)熱阻曲線的應(yīng)用

如下通過一個實例計算FF600R17ME4的二極管電流以及I2t隨時間變化的曲線,便于在應(yīng)用系統(tǒng)中和熔斷保護(hù)器匹配使用。以下舉例計算FF600R17ME4器件在100ms的浪涌電流。

a4734af0-b718-11ef-8084-92fbcf53809c.jpg

圖2.FF600R17ME4二極管熱阻曲線

首先,借助動態(tài)熱阻曲線的四階參數(shù),可以計算得到10ms時的動態(tài)熱阻值為0.02384,同樣也可以計算得到100ms的動態(tài)熱阻為0.0622。

從FF600R17ME4的數(shù)據(jù)手冊可以查到在10ms時,器件的I2t為32000,因此可以計算浪涌電流值為1789A。

接下來用上述公式(1)計算得到100ms的浪涌電流值為1108A。圖3為按照上述方法計算得到的不同時間的浪涌電流值曲線。得到浪涌電流值后,在不同時間的I2t同樣也可以計算,圖4所示為不同時間相對于10ms時的關(guān)系曲線。

a4843072-b718-11ef-8084-92fbcf53809c.jpg

圖3.通過公式計算的浪涌電流隨時間的變化曲線

a49c7114-b718-11ef-8084-92fbcf53809c.jpg

圖4.FF600R17ME4 I2t隨時間變化的標(biāo)幺值

小結(jié)

計算半導(dǎo)體器件二極管的浪涌電流的過程如下:

1.從數(shù)據(jù)手冊熱阻曲線中查到該時間條件下瞬態(tài)熱阻值

2.根據(jù)公式(1)計算浪涌電流

3.如果要計算和熔斷保護(hù)器匹配的I2t,利用上述電流計算就可以

如果想要了解詳細(xì)的測試以及仿真結(jié)果請參考2007年P(guān)CIM 論文:Numerical and experimental study on surge current limitation of wire-bonded power diodes

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
  • 二極管
    +關(guān)注

    關(guān)注

    147

    文章

    9673

    瀏覽量

    166968
  • 功率器件
    +關(guān)注

    關(guān)注

    41

    文章

    1781

    瀏覽量

    90515
  • 浪涌電流
    +關(guān)注

    關(guān)注

    1

    文章

    201

    瀏覽量

    25323
  • 熱設(shè)計
    +關(guān)注

    關(guān)注

    11

    文章

    128

    瀏覽量

    26667
收藏 人收藏

    評論

    相關(guān)推薦

    瞬態(tài)抑制二極管應(yīng)用選型

    時,TVS類似正向偏置二極管一樣導(dǎo)通并吸收浪涌能量。在低電容電路里情況就不是這樣了。應(yīng)選用雙向TVS以保護(hù)電路中的低電容器件免受反向浪涌的損害。6.如果知道比較準(zhǔn)確的
    發(fā)表于 04-16 08:55

    瞬態(tài)抑制二極管的應(yīng)用

    瞬態(tài)二極管簡稱TVS,是一種二極 形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS 二極管的兩
    發(fā)表于 06-03 17:29

    深度認(rèn)識TVS瞬態(tài)抑制二極管的鉗位電壓

    、抗干擾、吸收浪涌功率等的理想保護(hù)器件。有很多客戶和工程師在TVS二極管選型的時候,都會問到鉗位電壓。究竟TVS瞬態(tài)抑制
    發(fā)表于 06-10 16:36

    瞬態(tài)電壓擬制二極管的工作原理

    而成。它具有體積小,峰值功率大,抗浪涌電壓的能力強(qiáng),擊穿電壓特性曲線好,齊納阻抗低,雙向電壓對稱性好,反向漏電流小,以及對脈沖的響應(yīng)時間快等特點,適合在惡劣環(huán)境條件下工作,是一種理想的防雷電保護(hù)
    發(fā)表于 07-07 16:53

    瞬態(tài)抑制二極管的主要參數(shù)及工作原理

    的速度,將其兩間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?,吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率,使兩間的電壓箝位于一個預(yù)定值,有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件,免受各種
    發(fā)表于 02-09 10:38

    瞬態(tài)抑制二極管的選型竅門

    電壓。第三,在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內(nèi),瞬態(tài)抑制二極管的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護(hù)電路內(nèi)可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大鉗位電壓后,其峰值脈沖電流應(yīng)大于
    發(fā)表于 12-19 11:54

    如何區(qū)分瞬態(tài)二極管

    功率,使兩間的電壓箝位于一個值,有效地保護(hù)電子線路中的精密元 器件,免受各種浪涌脈沖的損壞。瞬態(tài)抑制
    發(fā)表于 03-08 09:48

    瞬態(tài)抑制二極管選型竅門分析

    電壓。第三,在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內(nèi),瞬態(tài)抑制二極管的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護(hù)電路內(nèi)可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大鉗位電壓后,其峰值脈沖電流應(yīng)大于
    發(fā)表于 12-14 23:02

    瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS工作原理及特性參數(shù)

    、抗干擾、吸收浪涌功率等,是一種理想的保護(hù)器件。耐受能力用瓦特(W)表示。瞬態(tài)電壓抑制二極管的主要電參數(shù)(1)擊穿電壓V(BR)
    發(fā)表于 07-31 17:45

    如何避免二極管出現(xiàn)的過載損壞?

    ,主要考慮PD和Rja,前者是最大耗散功率,實際工作不能超過這個數(shù)值,后者是傳熱阻力參量,放映不同二極管的傳熱能力。在使用二極管時,不但
    發(fā)表于 01-19 17:19

    TVS二極管能用普通二極管代替嗎?

    工作;當(dāng)電路出現(xiàn)異常浪涌或電壓并達(dá)到了瞬態(tài)二極管擊穿電壓時,瞬態(tài)二極管迅速由高態(tài)變?yōu)榈?/div>
    發(fā)表于 05-25 14:16

    什么是變二極管

      1.變二極管的作用及特性  變二極管利用PN結(jié)之間等效電阻可變的原理制成的半導(dǎo)體
    發(fā)表于 04-16 23:31 ?1614次閱讀
    什么是變<b class='flag-5'>阻</b><b class='flag-5'>二極管</b>

    器件-肖特基二極管與TVS瞬態(tài)抑制二極管

    抑制器,肖特基二極管,英文名為Schottky。我們首先來看看它們的概率。 TVS瞬態(tài)抑制二極管—— 它是一種二極管形式的過壓保護(hù)型電子元器件
    的頭像 發(fā)表于 05-05 10:50 ?2130次閱讀
    元<b class='flag-5'>器件</b>-肖特基<b class='flag-5'>二極管</b>與TVS<b class='flag-5'>瞬態(tài)</b>抑制<b class='flag-5'>二極管</b>

    瞬態(tài)電壓抑制二極管選型,選多大功率合適?

    但是,在防浪涌過電壓保護(hù)方案設(shè)計過程中,TVS選型,并不是選功率越大的越好。那么TVS二極管功率,如何選型呢?TVS二極管的額定
    的頭像 發(fā)表于 03-17 17:42 ?3017次閱讀
    <b class='flag-5'>瞬態(tài)</b>電壓抑制<b class='flag-5'>二極管</b>選型,選多大<b class='flag-5'>功率</b>合適?

    功率二極管有哪些?二極管功率器件嗎?

    功率二極管有哪些?二極管功率器件嗎? 功率二極管
    的頭像 發(fā)表于 09-02 11:13 ?1500次閱讀