Взаимосвязь разброса параметров силовых транзисторов и температуры их полупроводниковой структуры

Любая, даже самая совершенная технология не обеспечивает полной идентичности характеристик изделий. В некоторых случаях и нет такой необходимости. Но по ряду изделий, к числу которых относятся силовые транзисторы, значительный разброс параметров может привести к существенному снижению показателей их надежности. Известно, что повышение температуры полупроводниковой структуры силовых приборов на каждые 20 °С снижает их надежность в два раза [1]. Поэтому при комплектовании транзисторных модулей преобразователей электрической энергии необходимо стремиться к обеспечению примерно равного теплового режима для всех транзисторов.

Критический параметр для транзисторов — предельно допустимая температура их полупроводниковых элементов, которая для большинства современных IGBT-транзисторов составляет 150 °С. Она зависит от параметров U₀, R_d прямой вольт-амперной характеристики (ПВАХ) транзистора, величины тока нагрузки, теплового сопротивления прибора и температуры охладителя, на котором установлен транзистор. Зависимость записывается следующим образом:

T_j = T_c + P× R_JC ,        (1)

где T_j — температура структуры, °С; T_c — температура корпуса, °С; P — мощность потерь в транзисторе, Вт; R_JC — тепловое сопротивление переход–корпус транзистора, °С/Вт.

Мощность потерь в транзисторе зависит от среднего значения протекающего тока и параметров ПВАХ транзистора:

Р = U₀×I + I²×R_d ,       (2)

где U₀ — пороговое напряжение выходной вольт-амперной характеристики; R_d — динамическое сопротивление.

Также мощность потерь определяют по формуле

Р = I×ΔU₀,                (3)

где ΔU = U₀ + I×R_d.

Для того чтобы выяснить, насколько может быть велик разброс температур транзисторов одной партии в зависимости от различия их ПВАХ, был проведен эксперимент с партией из 50 IGBT-транзисторов IRG4PH50UD производства International Rectifier с номинальным напряжением 1200 В и током 45 А. Для каждого транзистора снимались вольт-амперные характеристики при 20 и 100 °С, напряжении U_ЗЭ = 14 В. Данные обрабатывались с использованием математических программ [2].

Характерный вид этих зависимостей и построения для получения значений U₀ и R_d путем аппроксимации ПВАХ приведены на рис. 1. Из рис. 1 можно сделать вывод, что характеристики при 20 и 100 °С заметно различаются. Видна точка инверсии, где температурный коэффициент напряжения изменяет знак с отрицательного на положительный.

Рис. 1. Выходные вольт-амперные характеристики транзисторов IRG4PH50UD

На рис. 2 приведены гистограммы распределений измеренных параметров U₀ и R_d , DU и температурного коэффициента напряжения (ТКН). Из этих гистограмм видно, что их огибающая при увеличении количества измерений должна приближаться к функции нормального закона Гаусса. В таблице приведены математическое ожидание и дисперсия этих функций. Эти данные сами по себе еще не определяют степень нагрева транзисторов, они характеризуют лишь качество технологического процесса их изготовления. Чтобы определить температуру, необходимо знать мощность потерь в транзисторе при протекании заданного тока и тепловое сопротивление каждого транзистора [3].

Рис. 2. Гистограммы распределения параметров транзисторов, измеренных по вольт-амперным характеристикам, и их огибающие

Мощность потерь при токе I_K = 30 А была оценена по выражению (2). Для расчета разницы температур между полупроводниковой структурой и корпусом транзистора были измерены тепловые сопротивления каждого образца. Чтобы уменьшить погрешность оценки теплового сопротивления, измерения проводили по построенным для каждого прибора градуировочным зависимостям. Распределение тепловых сопротивлений переход–корпус R_JC показано на рис. 3.

Рис. 3. Гистограмма распределения тепловых сопротивлений переход–корпус RJC транзисторов и ее огибающая

На рис. 4 приведены расчетные гистограммы для мощности потерь и температуры перегрева полупроводниковой структуры относительно температуры корпуса. Математические ожидания этих величин и дисперсии:

• для мощности потерь P: M[X] = 78,87; D[X] = 5,12;
• для температуры структуры T: M[X] = 43,42; D[X] = 6,5.

Рис. 4. Гистограммы распределений P и T транзисторов и их огибающие

Из гистограмм следует, что разброс параметров транзисторов существенно влияет на температуру их полупроводниковой структуры. Даже при установке транзисторов на один теплоотвод и равенстве температур их корпусов разница температур полупроводниковых кристаллов может составлять более 10 °С. Поэтому при параллельном соединении транзисторов и их нагрузке током, близким к номинальному, часть приборов могут оказаться перегретыми, что повышает вероятность их отказа. Высокая надежность при групповой работе транзисторов может быть обеспечена либо снижением их нагрузки, либо специальным подбором приборов по комбинации их параметров.