通过IGBT热计算来将电源设计的效用提升至最高

计算大多数半导体器件结温的过程广为人知。通常情况下，外壳或引脚温度已知。测量裸片的功率耗散，并乘以裸片至封装的热阻(用theta或θ表示)，以计算外壳至结点的温升。这种方法适用于所有单裸片封裝，包括双极结晶体管(BJT)、MOSFET、二极管及晶闸管。但对多裸片绝缘门双极晶体管(IGBT)而言，这种方法被证实不足以胜任。

某些IGBT是单裸片器件，要么结合单片二极管作，要么不结合二极管；然而，大多数IGBT结合了联合封装的二极管。大多数制造商提供单个θ值，用于计算结点至外壳热阻抗。这是一种简化的裸片温度计算方法，会导致涉及到的两个结点温度分析不正确。对于多裸片器件而言，θ值通常不同，两个裸片的功率耗散也不同，各自要求单独计算。此外，每个裸片互相提供热能，故必须顾及到这种交互影响。

本文将阐释怎样测量两个元件的功率耗散，使用IGBT及二极管的θ值计算平均结温及峰值结温。

.通过IGBT热计算来将电源设计的效用提升至最高
2014年07月31日 16:07    eechina 分享 关键词： IGBT , 电源设计
作者：Alan Ball，安森美半导体

计算大多数半导体器件结温的过程广为人知。通常情况下，外壳或引脚温度已知。测量裸片的功率耗散，并乘以裸片至封装的热阻(用theta或θ表示)，以计算外壳至结点的温升。这种方法适用于所有单裸片封裝，包括双极结晶体管(BJT)、MOSFET、二极管及晶闸管。但对多裸片绝缘门双极晶体管(IGBT)而言，这种方法被证实不足以胜任。

某些IGBT是单裸片器件，要么结合单片二极管作，要么不结合二极管；然而，大多数IGBT结合了联合封装的二极管。大多数制造商提供单个θ值，用于计算结点至外壳热阻抗。这是一种简化的裸片温度计算方法，会导致涉及到的两个结点温度分析不正确。对于多裸片器件而言，θ值通常不同，两个裸片的功率耗散也不同，各自要求单独计算。此外，每个裸片互相提供热能，故必须顾及到这种交互影响。

本文将阐释怎样测量两个元件的功率耗散，使用IGBT及二极管的θ值计算平均结温及峰值结温。


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图1： 贴装在TO-247封裝引线框上的IGBT及二极管。
图中文字说明：
Gate wire 门极连线
Emitter wires 射极连线
Diode 二极管

电压与电流波形必须相乘然后作积分运算以测量功率。虽然电压和电流简单相乘就可以给出瞬时功率，但无法使用这种方法简单地推导出平均功率，故使用了积分来将它转换为能量。然后，使用不同损耗的能量之和以计算波形的平均功率。

在开始计算之前定义导通、导电及关闭损耗的边界很重要，因为如果波形的某些区域遗漏了或者是某些区域被重复了，它们可能会给测量结果带来误差。本文的分析中将使用10%这个点；然而，由于这是一种常见方法，也可以使用其它点，如5%或20%，只要它们适用于损耗的全部成分。

正常情况下截取的是正在形成的正弦波的峰值波形。这就是峰值功率耗散。平均功率是峰值的50%(平均电压是峰值电压除以√2，平均电流是峰值电流除以√2)。

一般而言，在电压波形的峰值，IGBT将导电，而二极管不导电。为了测量二极管损耗，要求像电机这样的无功负载，且需要捕获电流处于无功状态(如被馈送回电源)时的波形。