Анализ режимов модулей IGBT TECHNICON с помощью программы теплового расчета

Анализ температурных режимов силового каскада является одним из важнейших этапов разработки, позволяющим подтвердить правильность выбора электронного компонента, во многом определяющим надежность работы устройства. Предельные данные тока и напряжения транзистора или модуля, вынесенные в заголовок технической спецификации, определяются условными параметрами чипов IGBT, и не дают разработчику никаких данных для расчета. При этом важно максимально использовать характеристики силового прибора, чтобы не платить лишних денег за неоправданный запас по мощности.

Инженерам-разработчикам хорошо известны программы, выпускаемые крупнейшими производителями силовых полупроводников (Semisel/SEMIKRON, Iposim/Infineon, Melcosim/Mitsubishi). Эти инструменты предназначены для вычисления потерь мощности, температуры кристаллов мощных полупроводниковых ключей на основе рабочих режимов для различных конфигураций инверторов. Однако в их базах данных находятся только компоненты, производимые соответствующими компаниями, что логично с точки зрения маркетинга.

А что делать в том случае, если вы хотите оценить температурные режимы инвертора на базе модулей TECHNICON [1], сравнить их с другими аналогичными приборами? Такую возможность предоставляет специализированная программа, имеющая опцию создания тепловой модели на основании технической спецификации (datasheet). Предлагаемая вашему вниманию статья будет полезна как начинающим, так и опытным специалистам, занимающимся разработкой импульсных силовых преобразователей.

Общие положения

Основным способом определения температуры кристалла силового ключа в импульсном режиме работы является расчет с использованием графика динамического теплового импеданса Z_thJC. Исходными данными являются значение мощности P_v, рассеиваемой за один импульс проводимости t_i, длительность импульса, коэффициент заполнения DC. Для компьютеризации расчета график динамического теплового импеданса выражается в виде аналитической функции, градиент температуры DТ определяется по формуле:

В ряде публикаций, например [3, 4] рассматриваются основные режимы работы силовых каскадов, даются выражения для расчета потерь мощности, градиентов температуры применительно к следующим ситуациям:

• одиночный короткий импульс (температура не достигает установившегося значения);

• последовательность из заданного количества одиночных прямоугольных импульсов, такой режим используется для аппроксимации сигналов произвольной формы;

• широтно – импульсная модуляция (ШИМ) с постоянным коэффициентом заполнения;

• периодическая последовательность пар различных импульсов.

Реальные условия работы силовых каскадов могут рассматриваться как различные сочетания указанных режимов.

Основной проблемой теплового расчета, в том числе и автоматизированного, является определение уровня мощности, рассеиваемой за период. Она определяется, как сумма статических потерь (потерь проводимости), зависящих от тока и прямого падения напряжения, динамических потерь, пропорциональных величине энергии потерь E_sw и рабочей частоте F_sw. Расчет мощности потерь представляет собой сложный многоступенчатый процесс, требующий множества итераций. Компоненты формул зависят друг от друга, рабочей температуры, конфигурации схемы, а также множества других факторов. Поэтому для автоматизации теплового расчета необходимо создание выражений, позволяющих учесть все зависимости параметров, влияющих на нагрев.

Далее мы расскажем о том, какими методиками, формулами и аппроксимациями пользуются программы теплового расчета. Знание этих факторов необходимо как для правильного применения программы, так и для лучшего понимания процессов, происходящих в импульсных силовых каскадах.

Потери в импульсных каскадах и принципы работы программ теплового расчета

Рис. 1. Схема импульсного полумостового каскада, эпюры напряжений и токов

 Одной из самых сложных и интересных задач силовой электроники является определение мощности, рассеиваемой полумостовым силовым каскадом, работающим в режиме синусоидальной широтно-импульсной модуляции (ШИМ), используемом в схемах частотных преобразователей, приводов и т.д. Простейшим, наиболее понятным для понимания принципом формирования ШИМ-сигнала является сравнение (например, с помощью компаратора) синусоидального сигнала огибающей V_ref(t) и напряжения треугольной формы V_h(t). В этом случае на выходе компаратора будет наблюдаться импульсный сигнал V’_out(t), коэффициент заполнения которого DC пропорционален мгновенному значению входного синусоидального напряжения, а амплитуда равна напряжению питания (рис. 1). На рисунке показана эпюра тока I_out(t) в активно-индуктивной нагрузке, например асинхронном двигателе.

Форма тока нагрузки близка к синусоидальной, а уровень пульсаций di зависит от длительности импульса ШИМ-сигнала T_p, индуктивности нагрузки L, напряжения питания V_d и может быть определен из выражения: di/T_p = V_d/L. Амплитуда выходного напряжения V’_outm(1), тока нагрузки зависит от коэффициента модуляции M = V_outm(1)/V_d, значение которого задается максимальной величиной коэффициента заполнения DC.

На рисунке 1 также представлены форма тока коллектора одного из транзисторов полумоста I_C и оппозитного диода I_F. Фазовый сдвиг между током и напряжением из-за индуктивного характера нагрузки определяет коэффициент мощности или cos(j).

Наиболее распространенной схемой силового каскада является 3-фазный инвертор, состоящий из трех полумостов. Формулы для расчета статических и динамических потерь IGBT и антипараллельного диода (FWD) в этом случае приобретают достаточно сложный вид:

Если вы занимаетесь тепловыми расчетами, то можете оценить, насколько нужна инженерам программа, позволяющая автоматизировать этот нелегкий труд. Основной целью анализа тепловых режимов является определение температуры кристаллов T_j – «интегрального» показателя, подтверждающего правильность выбора силового ключа и режимов его работы. Однако проблема состоит еще в том, что многие параметры полупроводников зависят от T_j. Для того чтобы учесть эти зависимости, в специализированной программе теплового расчета используются следующие выражения:

V_TO = V_{TO_25°C} ´ (1 + TC ´ (T_j – 25°C))

r_T = r_{T_25°C} ´ (1 + TC ´ (T_j – 25°C))

E_sw = E_{sw_25°C} ´ (1 + TC ´ (T_j – 25°C))

где, V_{TO_25°C}, r_{T_25°C}, E_{sw_25°C} – номинальные справочные значение напряжения отсечки, динамического сопротивления и энергии потерь, а ТС – соответствующий температурный коэффициент. На рисунке 2 показан графический метод определения температурных коэффициентов для параметров V_TO и r_T. Величина ТС для энергии потерь E_sw определяется аналогично по графикам зависимости E_sw = f(I_C).

Для того, чтобы получить максимально точное значение температуры кристалла с учетом тепловой зависимости параметров используется несколько итераций (рис. 3): после расчета температуры теплостока и кристалла производится новый анализ мощности потерь, и на основе вновь полученных значений – окончательный расчет температуры.

Рис. 2. Определение температурных коэффициентов и параметров аппроксимации с помощью выходной характеристики полупроводникового прибора

    

Рис. 3. Итеративный расчет мощности потерь P_V и температуры кристалла 

Динамический тепловой расчет, учитывающий теплоемкость кристалла и всех элементов конструкции модуля, производится с помощью эквивалентной электрической схемы, известной, как «цепь Фостера». Она содержит последовательность RC цепочек (как правило, 4 или 5), имитирующих тепловое сопротивление, тепловую емкость конструктивных слоев силового модуля, что позволяет достаточно точно отображать кривую зависимости динамического теплового импеданса Z_th.

Рис. 4. Типовая структура программы теплового расчета

При анализе любой схемы пользователю предлагается выполнить стандартный набор операций, показанных на рисунке 4. После выбора конфигурации схемы, ввода исходных данных необходимо выбрать тип элемента из предлагаемого набора модулей, способных решить поставленную задачу, а также задать способ и характеристики режима охлаждения. Далее производится автоматический расчет потерь, температуры перегрева всех элементов модуля. На основании полученных результатов пользователь может вернуться на любой этап расчета и внести соответствующие коррективы.

Наиболее интересным является расчет параметров 3-фазного инвертора B6I, схема которого и меню для задания исходных данных показаны на рисунке 5.

Рис. 5. Страница ввода исходных данных 3-фазного инвертора B6I

Важной особенностью специализированной программы является возможность расчета инвертора с параллельными модулями IGBT – такая конфигурация часто используется для наращивания мощности преобразовательных систем. Программа позволяет задать количество «схемных» ключей на теплостоке и количество модулей, соединенных параллельно в фазе.

Для расчета необходимо выбрать способ охлаждения (естественный, воздушный, жидкостный), задать тип радиатора, температуру, объем охлаждающего воздуха. Параметры стандартных профилей радиаторов есть в базе данных, они также могут быть определены с помощью элементов «схемы Фостера» (Tau, R_th). Кроме того, есть возможность расчета при фиксированной температуре радиатора – такая опция полезна, например, для расчета маломощных преобразователей, монтируемых на массивном шасси.

Создание тепловых моделей IGBT TECHNICON

Однако вернемся к главной теме статьи – созданию тепловых моделей IGBT, не входящих в исходную базу данных. Разработка таких моделей и сравнение тепловых характеристик модулей – сложнейшая задача, требующая глубокого понимания способов нормирования параметров, указанных в технических спецификациях и физического смысла процессов, происходящих в силовых ключах. Например, в документации абсолютно одинаковых модулей разных фирм может быть указано различное значение тепловых сопротивлений «кристалл-корпус» R_th(j-c) и «корпус-радиатор» R_th(c-s). Это объясняется тем, что производители применяют разные способы нормирования этих важнейших характеристик. Бездумное использование справочных величин R_th при сравнении ведет к заведомо ошибочным результатам. Специалистам, интересующимся этой проблемой, рекомендуем ознакомится со статьей [5].

Таблица 1. Параметры для создания пользовательской тепловой модели

В таблице 1 показаны параметры, необходимые для создания пользовательской тепловой модели модуля IGBT, в данном случае TE600GB17C5R7, производимого компанией Technicon [1]. Таблица содержит массу параметров, некоторые из них берутся из технической спецификации. Однако основную часть данных приходится вычислять «вручную» на основании графиков, в частности выходной характеристики, как показано на рисунке 2. Это очень сложный и ответственный процесс, требующий глубокого понимания характеристик силовых ключей.

Рис. 6. Выбор схемы инвертора на сайте www.technicon.asia

Поскольку неточности в тепловых моделях прямо влияют на достоверность расчетов, этот важный процесс стоит доверить исключительно специалистам с многолетним опытом. Такая возможность предоставлена пользователям модулей Technicon – на сайте www.technicon.asia (рис. 6) вы можете выбрать схему инвертора и задать исходные данные. Далее задание на расчет поступает инженерам компании, которые выберут подходящий модуль IGBT, проведут тепловое моделирование и предоставят вам результаты расчетов.

 

Заключение

Автоматизация процесса анализа температурных режимов силовых каскадов и выбора компонентов давно стала насущной потребностью разработчиков. Современные программы теплового расчета охватывают практически все существующие схемы, требуют от пользователя ввода только числовых исходных данных. Главным ограничением подобных инструментов является возможность выбора только полупроводниковых приборов, находящихся в базе данных программ, так как все коэффициенты, использованные в формулах и выражениях, рассчитаны применительно к ним. Решением этой проблемы является использование специализированных программ, позволяющих разрабатывать тепловые модели на основании технических спецификаций. В частности, компанией TECHNICON созданы модели всех IGBT, имеющихся в производственной программе. Эти изделия широко используются в общепромышленных приводах, устройствах электропитания, промышленной автоматизации и энергетики, тяговых системах электромобилей. Специалисты TECHNICON всегда готовы помочь заказчикам и провести тепловой расчет инвертора в различных конфигурациях.

 

Литература:

1. Колпаков А.И. «TECHNICON – ответ на вызовы современной силовой электроники». Силовая Электроника №3, 2025.
2. Колпаков А.И. «SEMISEL 3.1 – новые возможности, новые перспективы». Силовая Электроника №3, 2008.
3. Martin Freyberg, Uwe Scheuermann. Measuring Thermal Resistance of Power Modules. PCIM Europe journal, 2003.
4. Calculation of the Maximum Virtual Junction Temperature Reached Under Short-time or Intermittent Duty. IEC 60747-6 by SEMIKRON.
5. Колпаков А.И. «Контрольная точка или как читать datasheet «между строк»». Электронные компоненты №6, 2005.
6. Материалы сайта www.technicon.asia.