Температурная зависимость статических и динамических характеристик силовых модулей

Почти все электрические характеристики IGBT, силовых MOSFET и обратных диодов более или менее зависят от температуры кристалла.

Приведенная таблица отображает тенденции характеристик большинства важных параметров компонентов при повышении температуры (<: растет; <<: растет быстро; >: падает; -: незначительная температурная зависимость). Символы, помеченные значком *, только для PT-IGBT.

Для определения на практике, символы с значком !, которые будут рассмотрены позднее, наиболее важны из-за их особой зависимости от температуры. Что касается температурной зависимости параметров обратных диодов, пожалуйста, смотрите пояснения в разделе 1.3.

Параметр	MOSFET	IGBT	Обр. диод
Напряжение пробоя	<	<	<
Ток запирания, рассеивание мощности при запирании	<	<	<
Сопротивление в открытом состоянии / падение напряжения, рассеивание мощности в открытом состоянии	<<!	<(>*)!	>
Время включения / рассеиваемая энергия при включении	<	<	-
Время выключения / рассеиваемая энергия при выключении	<	<(<<*)!	<<
Пороговое напряжение	>	>	>
Крутизна характеристики прямой передачи	>	>	-

Для правильной интерпретации справочных данных, их нужно брать учитывая, что много значений для MOSFET и IGBT приведены при температуре корпуса 25°С и могут быть преобразованы для максимальной рабочей температуры при помощи других приведенных параметров.

Это относится в основном к максимально допустимому току стока или коллектора I_D, I_DM, I_С, I_CM и максимальной рассеиваемой мощности P_tot или P_D, соответственно, которые могут быть уменьшены до значений при реальной работе, как описано в п. 3.1.2.

Требуемое уменьшение тока определяется с помощью прямой и обратной рассеиваемой мощности, которая также зависит от температуры, а также из потерь коммутации.

Установлено, что ток и мощность в закрытом состоянии будет расти в 3.6 раз при температуре от 25°С до 125°С, но это не играет важной роли, так как рассеиваемая мощность в закрытом состоянии составляет только малую часть общей рассеиваемой мощности.

В отличие от этого, температурная зависимость в открытом состоянии очень важна, и находиться отдельно для каждого компонента:

Силовой MOSFET

Рис.2.23 показывает возрастание сопротивления в открытом состоянии R_DS(on) силового MOSFET и, как результат, пропорциональное изменение тока стока ID при высоких температурах, например.

Рис. 2.23. Параметры 100 В силового MOSFET в открытом состоянии при изменении температуры; а) сопротивление в открытом состоянии R_DS(on); b) тока стока I_D

R_DS(on) удваивается в диапазоне температур 25°С - 125°С; и при T_case = 80°С только 75 % от максимального тока стока можно использовать даже в статических условиях. С другой стороны, положительный температурный коэффициент падения напряжения в открытом состоянии дает преимущества, такие как упрощенная возможность параллельного включения и высокое удельное сопротивление при жесткой коммутации.

IGBT

Различные концепции IGBT (PT/NPT, см.п. 1.2.1) отличаются своими температурными параметрами. Это показано на рис.2.24 с основной характеристикой напряжения насыщения коллектор-эмиттер V_CEsat в зависимости от тока коллектора и температуры кристалла.

Рис. 2.24. Прямые характеристики IGBT: a) SEMITRANS NPT-IGBT 100A@25°C; b) PTIGBT 100A@25°C

Температурный коэффициент напряжения насыщения V_CEsat NPT-IGBT положительный для любых токов (приблиз. 8 мВ/К при I_C@25°C). Температурный коэффициент напряжения насыщения V_CEsat PT-IGBT, однако, отрицательный для реально используемых прямых токов и растет до нуля только при приближении к номинальному току. В результате, NPT-IGBT по сравнению с PT-IGBT имеет большую рассеиваемую мощность с одной стороны, и лучшую симметрию тока с другой (равномерное распространение тепла/ выносливость, возможность не выборочного параллельного включения).

Характеристики изменения тока коллектора от температуры аналогичны рис.2.22b, и обычно приведены в справочных данных.

Как уже было упомянуто, время коммутации и потери при коммутации MOSFET и IGBT также будут возрастать с увеличением температуры. Но поскольку некоторые измерения «горячих» кристаллов все равно могут быть выполнены на практике, большинство значений в данном справочнике приведены при 125°С.

По этой причине можно назвать другое различие между NPT-IGBT и PT-IGBT (рис.2.25, см.п. 1.2.1 и 1.2.3)

Хвостовой ток I_t, возникающий при выключении, будет возрастать вместе с температурой. В то время как хвостовой ток NPT-IGBT вырастет почти на 100 % при 125°С по сравнению с 25°С (рис.2.25а), хвостовой ток PT-IGBT (рис.2.25b)вырастет почти в три раза в этом диапазоне температур. Поэтому в NPT-IGBT безусловно меньше потери коммутации при больших температурах, чем в PT-IGBT.

Рис.2.25 Выключение IGBT: a) SEMITRANS NPT-IGBT; b) PT-IGBT

Меньшая зависимость от температуры у порогового напряжения и крутизны характеристики прямой передачи, и на практике при коммутации не значительна. Но это основное ограничение при аналоговой работе силовых модулей.

<-- Предыдущая страница

Оглавление

Следующая страница -->