功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（八）——利用瞬態(tài)熱阻計(jì)算二極管浪涌電流

/ 前言 /

功率半導(dǎo)體熱設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎(chǔ)，只有掌握功率半導(dǎo)體的熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，才能完成精確熱設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)基礎(chǔ)系列文章會(huì)比較系統(tǒng)地講解熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程測(cè)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(yīng)用。

浪涌電流

二極管的浪涌電流能力是半導(dǎo)體器件的一個(gè)重要參數(shù)。在被動(dòng)整流應(yīng)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(cè)中。但是也有一些應(yīng)用場(chǎng)合其時(shí)間是不同的，比如電網(wǎng)頻率是60Hz，或者半導(dǎo)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(chǎng)合條件下需要利用瞬態(tài)熱阻計(jì)算不同時(shí)間尺度下二極管能承受的浪涌電流。

浪涌電流導(dǎo)致的二極管失效表明失效點(diǎn)來自鋁金屬化層的熱失效，然后導(dǎo)致二極管PN結(jié)損壞，因此普遍認(rèn)為二極管在承受高浪涌電流時(shí)，能量或者熱是導(dǎo)致失效的根本原因，也就是說溫度變化是直接導(dǎo)致器件損壞。下圖是二極管損壞的照片，照片中紅色箭頭標(biāo)識(shí)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(jì)算

下面從能量角度分析，設(shè)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(guān)系做線性化處理：

當(dāng)電流比較大時(shí)， V ₀ 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， I _FSM 表示浪涌電流大小， t _p 指對(duì)應(yīng)的時(shí)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(rèn)定溫度變化是導(dǎo)致芯片在浪涌大電流損壞的主要原因時(shí)，就可以認(rèn)為 z _thjc I ² _FSM 一個(gè)常量。

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

瞬態(tài)熱阻曲線的應(yīng)用

如下通過一個(gè)實(shí)例計(jì)算FF600R17ME4的二極管電流以及I ² t隨時(shí)間變化的曲線，便于在應(yīng)用系統(tǒng)中和熔斷保護(hù)器匹配使用。以下舉例計(jì)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(dòng)態(tài)熱阻曲線的四階參數(shù)，可以計(jì)算得到10ms時(shí)的動(dòng)態(tài)熱阻值為0.02384，同樣也可以計(jì)算得到100ms的動(dòng)態(tài)熱阻為0.0622。

從FF600R17ME4的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以查到在10ms時(shí)，器件的I ² t為32000，因此可以計(jì)算浪涌電流值為1789A。

接下來用上述公式（1）計(jì)算得到100ms的浪涌電流值為1108A。圖3為按照上述方法計(jì)算得到的不同時(shí)間的浪涌電流值曲線。得到浪涌電流值后，在不同時(shí)間的I ² t同樣也可以計(jì)算，圖4所示為不同時(shí)間相對(duì)于10ms時(shí)的關(guān)系曲線。

圖3.通過公式計(jì)算的浪涌電流隨時(shí)間的變化曲線

圖4.FF600R17ME4 I ² t隨時(shí)間變化的標(biāo)幺值

小結(jié)

計(jì)算半導(dǎo)體器件二極管的浪涌電流的過程如下：

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

2. 根據(jù)公式（1）計(jì)算浪涌電流

3. 如果要計(jì)算和熔斷保護(hù)器匹配的I ² t，利用上述電流計(jì)算就可以

如果想要了解詳細(xì)的測(cè)試以及仿真結(jié)果請(qǐng)參考2007年P(guān)CIM 論文：Numerical and  experimental  study  on  surge current  limitation  of  wire-bonded  power  diodes