Силовая электроника №1'2007

Тепловое повреждение в блокирующем состоянии

Рафаэль Шнелль (Raffael Schnell)
Нандо Камински (Nando Kaminski)
Перевод: Алексей Чекмарев

Эффект теплового повреждения известен практически с самого начала развития полупроводниковых технологий. Классическим примером теплового повреждения является случай, когда прикладываемое к прибору напряжение является причиной возникновения токов утечки, которые, в свою очередь, нагревают прибор. Чем горячее прибор, тем больше токи утечки. Эта зависимость имеет экспоненциальный характер. Если система охлаждения не соответствует такому стремительному нагреву, температура полупроводникового прибора будет увеличиваться и, в конце концов, он выйдет из строя.



Введение

Последние разработки высоковольтных IGBT-модулей характеризуются повышенными значениями энергии, рассеиваемой в выключенном состоянии вследствие высоких значений блокирующего напряжения — несмотря на то, что токи утечки остались на том же уровне, что и для приборов с более низким блокирующим напряжением. Это может вызвать определенные проблемы при определении характеристик таких приборов в условиях работы при высоких температурах (например, 125 °C). Дело в том, что в этом случае вся рассматриваемая система (основание, модуль, чип) нагревается до неизменной температуры и поэтому не имеет температурного градиента, позволяющего уменьшить генерируемое тепло. Эта ситуация полностью противоположна условиям реальной эксплуатации, при которой температура перехода действительно может достигнуть максимального значения 125 °C, но температура корпуса никогда не превысит, например, 110 °C, что позволяет тепловой энергии, выделяемой при наличии токов утечки, рассеиваться благодаря имеющемуся температурному градиенту между переходом и корпусом.

В данной статье обсуждаются пределы тепловой стабильности, которые необходимо принимать во внимание при испытаниях и эксплуатации полупроводниковых приборов. В целях упрощения анализа сделан ряд допущений. Поэтому нужно отметить, что, в отличие от принятого в статье допущения, нагревание и охлаждение обычно не являются равномерными процессами, поэтому после расчетов всегда необходимо делать некоторый разумный запас. Однако вычисление этих значений помогает разрабатывать требования к системам охлаждения приборов.

Описание проблемы

Энергия Pheat, рассеиваемая прибором, — это произведение прикладываемого напряжения V0 и тока утечки I(V0, Tj) при данном напряжении и соответствующей температуре перехода Tj. Обычно выражение для энергии содержит температурную зависимость тока утечки. Для расчетов используется следующая известная формула, учитывающая тот факт, что ток утечки удваивается приблизительно каждые 11 K. Ток I0 — это ток утечки при прикладываемом напряжении V0 и соответствующей температуре T0:

Энергия Pcool, отводимая от прибора, определяется разницей между температурой перехода Tj и установившейся заданной температурой T0 (например, окружающей среды), а также тепловым сопротивлением Rth:

Примечание: переходные эффекты могут не учитываться, так как Rth уже дается для самых неблагоприятных условий.

На рисунке показаны генерируемая (Pheat) и отводимая энергия (Pcool) в зависимости от температуры перехода. Заданная температура для этого примера T0 = 125 °C. Для примера взят IGBT-модуль HiPak АВВ на 6500 В с током утечки 60 мA при 3600 В и 125 °C. Кривая красного цвета получена для Pheat. Отведенная энергия показана для различных значений теплового сопротивления. Синий график представляет модуль с достаточным охлаждением.

Черный график характеризует модуль, установленный с нарушением технологии, а зависимость зеленого цвета определяет предел тепловой стабильности. Анализ синего графика на рисунке говорит о том, что до первой точки пересечения (устойчивая эксплуатационная точка) чипы будут нагреваться до достижения баланса мощностей (примерно 131,5 °C). Выше этой точки температура перехода падает обратно до устойчивой эксплуатационной точки. Однако если температура перехода превысит 156,6 °C (неустойчивая эксплуатационная точка), баланс мощностей нарушается, и прибор продолжает нагреваться до повреждения. Линия черного цвета — это энергия, отводимая в случае неправильного применения охлаждения (например, модуль не прикручен к охладителю). В таких условиях Pheat всегда выше, чем Pcool, и это означает, что устойчивая эксплуатационная точка не может быть достигнута. В результате произойдет тепловое повреждение прибора. Зеленая линия определяет энергию, которую необходимо отвести от прибора, чтобы достичь предела термической стабильности. В том случае, если Pheat и Pcool являются тангенциальными, стабильная и нестабильная точки совпадают. Очевидно, что малейший тепловой дисбаланс может спровоцировать тепловое повреждение.

Баланс мощностей модуля для различных условий системы охлаждения
Рисунок. Баланс мощностей модуля для различных условий охлаждения. Синий: достаточное охлаждение; черный: недостаточное охлаждение; зеленый: предел тепловой стабильности согласно формуле (10)

Расчет критерия стабильности

Как уже указывалось, пределом тепловой стабильности является точка, при которой зависимости Pheat и Pcool тангенциальны. В этой точке энергия нагрева Pheat и энергия охлаждения Pcool должны быть равны, также должны быть равны производные обеих кривых (относительно температуры перехода):

Производная функции нагрева дана в виде, который удобно представить как исходную функцию, умноженную на константу.

Производная функции охлаждения — это величина, обратная тепловому сопротивлению:

Преобразуя правую часть выражения (3), можно получить формулу для Pheat, которая зависит только от Td и Rth. Подставляя этот результат в левую часть выражения (3), определяем критическую температуру, при которой две кривые тангенциальны.

Интересно, что разница между критической температурой перехода Tj,crit и заданной температурой T0 не зависит от прикладываемого напряжения V0, тока утечки I0 и теплового сопротивления Rth! Влияющими факторами являются параметры (ΔTd и основание 2), характеризующие температурную зависимость тока утечки. Используя эти результаты, можно рассчитать соответствующий ток утечки при Tj,crit:

Кроме того, если результат формулы (7) подставить в правую часть выражения (3), могут быть определены соотношения других параметров для этого критического режима:

Окончательно критерий стабильности определяется следующим образом:

Для ΔT = 11 К:

Заключение

Выражение (10) представляет собой упрощенный критерий стабильности. Левая часть содержит основные влияющие факторы: прикладываемое напряжение V0, ток утечки I0 при заданной температуре, V0 и тепловое сопротивление, — в то время как правая часть относится к элементарной физике и имеет значение 5,8 K для кремниевых приборов (ΔTd = 11 K). В любом случае, это правило должно проверяться вследствие неординарного воздействия тока утечки и внутренних свойств прибора, которые могут значительно изменить температурную зависимость. Однако рекомендуется иметь дополнительный запас, поскольку для упрощения расчетов было принято, что охлаждение и ток утечки однородны по всему прибору, а это нереально в повседневной эксплуатации. Пример рисунка показывает, что можно использовать прибор на охладителе при напряжении V0 = 3600 В и температуре 125 °C в случае, если переходное сопротивление между корпусом и охладителем будет на самом низком, но достаточном уровне. Однако нужно принять во внимание, что в этом случае температура перехода уже установилась значительно выше значения 125 °C, что оказывает влияние на характеристики переключений и область безопасной работы.

Чтобы характеризовать прибор при температуре перехода Tvj = 125 °C, необходимо выполнить два действия:

  • приложить напряжение V0 до начала испытаний (например, за несколько сотен микросекунд) и снять напряжение V0 сразу после окончания испытаний;
  • откорректировать охладитель по отношению к пониженной температуре, чтобы скомпенсировать падение температуры на тепловом сопротивлении, вызванное ожидаемыми потерями тока утечки.

В любом случае, важно знать значение наименьшего допустимого теплового сопротивления. Поэтому обязательно нужно устанавливать модуль на охладитель путем затяжки всех болтов с надлежащим усилием. Кроме этого, необходимо использовать термопроводящую смазку или хотя бы фольгу для снижения теплового сопротивления интерфейса между корпусом и охладителем и приведения его к номинальным значениям.

Материал подготовлен с согласия компании ABB Switzerland Ltd. Semiconductors.



*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2007_01_92.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Cezares душевые, golf смотри здесь .