功率器件熱設計基礎（八）——利用瞬態(tài)熱阻計算二極管浪涌電流

/ 前言 /

功率半導體熱設計是實現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎，只有掌握功率半導體的熱設計基礎知識，才能完成精確熱設計，提高功率器件的利用率，降低系統(tǒng)成本，并保證系統(tǒng)的可靠性。

功率器件熱設計基礎系列文章會比較系統(tǒng)地講解熱設計基礎知識，相關標準和工程測量方法。

上一篇講了兩種熱等效電路模型，Cauer模型和Foster模型，這一篇以二極管的浪涌電流為例，講清瞬態(tài)熱阻曲線的應用。

浪涌電流

二極管的浪涌電流能力是半導體器件的一個重要參數(shù)。在被動整流應用中，由于電網(wǎng)的頻率是50Hz，因此10ms的二極管電流能力一般作為表征這一性能的參數(shù)被寫入器件數(shù)據(jù)手冊中。但是也有一些應用場合其時間是不同的，比如電網(wǎng)頻率是60Hz，或者半導體器件IGBT短路，直流側(cè)能量通過二極管放電，因此在這些特定場合條件下需要利用瞬態(tài)熱阻計算不同時間尺度下二極管能承受的浪涌電流。

浪涌電流導致的二極管失效表明失效點來自鋁金屬化層的熱失效，然后導致二極管PN結損壞，因此普遍認為二極管在承受高浪涌電流時，能量或者熱是導致失效的根本原因，也就是說溫度變化是直接導致器件損壞。下圖是二極管損壞的照片，照片中紅色箭頭標識的位置出現(xiàn)熔化。

圖1.浪涌電流條件下，二極管芯片損壞照片

浪涌電流計算

下面從能量角度分析，設E為這一過程中的由于大電流產(chǎn)生的能量：

在這一工作過程中，我們把V-I關系做線性化處理：

當電流比較大時，V0可以被忽略，通過積分可以得到：

在上式中，R表示二極管V-I曲線的斜率，IFSM表示浪涌電流大小，tp指對應的時間。

另一方面，我們假定芯片的溫度變化Delta T可以用如下公式表示：

從上式可以得出，如果我們認定溫度變化是導致芯片在浪涌大電流損壞的主要原因時，就可以認為zthjcI2FSM一個常量。

如上文中談到的，一般的數(shù)據(jù)手冊中會給出10ms的二極管浪涌電流值，同時熱阻曲線也會給出，依據(jù)以上公式就可以計算任何時間的二極管浪涌電流大小了。

瞬態(tài)熱阻曲線的應用

如下通過一個實例計算FF600R17ME4的二極管電流以及I2t隨時間變化的曲線，便于在應用系統(tǒng)中和熔斷保護器匹配使用。以下舉例計算FF600R17ME4器件在100ms的浪涌電流。

圖2.FF600R17ME4二極管熱阻曲線

首先，借助動態(tài)熱阻曲線的四階參數(shù)，可以計算得到10ms時的動態(tài)熱阻值為0.02384，同樣也可以計算得到100ms的動態(tài)熱阻為0.0622。

從FF600R17ME4的數(shù)據(jù)手冊可以查到在10ms時，器件的I2t為32000，因此可以計算浪涌電流值為1789A。

接下來用上述公式（1）計算得到100ms的浪涌電流值為1108A。圖3為按照上述方法計算得到的不同時間的浪涌電流值曲線。得到浪涌電流值后，在不同時間的I2t同樣也可以計算，圖4所示為不同時間相對于10ms時的關系曲線。

圖3.通過公式計算的浪涌電流隨時間的變化曲線

圖4.FF600R17ME4 I2t隨時間變化的標幺值

小結

計算半導體器件二極管的浪涌電流的過程如下：

1.從數(shù)據(jù)手冊熱阻曲線中查到該時間條件下瞬態(tài)熱阻值

2.根據(jù)公式（1）計算浪涌電流

3.如果要計算和熔斷保護器匹配的I2t，利用上述電流計算就可以

如果想要了解詳細的測試以及仿真結果請參考2007年PCIM 論文：Numerical and ?experimental ?study ?on ?surge current ?limitation ?of ?wire-bonded ?power ?diodes

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功率器件的熱設計基礎（二）---熱阻的串聯(lián)和并聯(lián)

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功率器件熱設計基礎（四）——功率半導體芯片溫度和測試方法

功率器件熱設計基礎（五）——功率半導體熱容

功率器件熱設計基礎（六）——瞬態(tài)熱測量

功率器件熱設計基礎（七）——熱等效模型

參考資料

《IGBT模塊：技術、驅(qū)動和應用 》機械工業(yè)出版社