Расчет тепловых режимов MOSFET силовых транзисторов с помощью программы HEXRISE

Тепловой расчет силового каскада является одним из важнейших этапов процесса разработки, позволяющий подтвердить правильность выбора и применения электронного компонента и во многом определяющих надежность работы устройства. Предельные данные тока и напряжения транзистора или модуля, обычно вынесенные в заголовок технических характеристик, не дают разработчику никаких данных для расчета, а лишь позволяют в первом приближении сравнить один элемент с другим. Сложность выбора компонента заключается и в том, что желательно максимально использовать его мощностные характеристики, чтобы не платить лишних денег за неоправданный запас по мощности.

Большие значения допустимых импульсных токов (они могут в 5–10 раз превышать значения среднего тока) создают у разработчика иллюзию, что транзисторы могут работать в режиме перегрузки. На самом деле перегрузка совершенно недопустима. И для оценки правильности выбора элемента существует только один критерий — температура кристалла в наиболее напряженном режиме работы.

В «КиТ» No 1 за этот год опубликована статья «Особенности теплового расчета импульсных силовых каскадов», в которой описаны наиболее часто используемые конфигурации схем преобразователей. Для каждой схемы даны расчетные формулы при использовании как MOSFET, так и IGBT транзисторов. Приведенные формулы и методики позволяют произвести расчет в режиме постоянного коэффициента заполнения и для случая переменной скважности, как это имеет место в приводах, работающих в режиме синусоидального ШИМ-сигнала. Только сложный многовариантный расчет позволяет получить достаточно корректные результаты, однако он представляет известную проблему, особенно для начинающих пользователей. Поэтому уже неоднократно делались попытки автоматизировать процесс теплового расчета, хотя бы для простых режимов работы. Одной из наиболее удачных попыток подобной автоматизации является программа HEXRISE, разработанная специалистами фирмы International Rectifier.

Общие положения

Основные потери в силовых транзисторах и модулях создаются непосредственно в кристалле. Тепло, выделяемое полупроводниковым кристаллом, отводится через корпус элемента на теплоотвод и далее в окружающую среду. Градиент температур между кристаллом и окружающим воздухом является функцией рассеиваемой мощности и тепловых сопротивлений материалов, из которых состоит корпус элемента, и материалов теплоотвода.

На рис. 1 показаны основные элементы конструкции, участвующие в процессе теплопередачи. Корпус транзистора в данном случае — пластмассовый, имеющий металлическое основание, соединенное с коллектором (например, ТО-220, ТО-247). Между корпусом транзистора и теплостоком может устанавливаться изолирующая подложка, которая также влияет на тепловые режимы.

Введем обозначения:

Rthjs — тепловое сопротивление кристалл — теплоотвод;

Rthsa — тепловое сопротивление теплоотвод — окружающая среда;

Tj — температура кристалла;

Tb — температура корпуса в районе контакта с кристаллом;

Ts — температура теплостока в районе контакта с корпусом транзистора;

Tamb — температура окружающей среды.

На рис. 2 приведена простейшая эквивалентная схема для конструкции, приведенной на рис. 1. На схеме рассмотрены 2 компонента, оказывающие основное влияние на тепловые режимы работы силового транзистора — кристалл и теплоотводящее основание корпуса.

Соответственно, на тепловой схеме показаны:

Cthd, Rthd — теплоемкость и тепловое сопротивление кристалла;

Cthh, Rthh — теплоемкость и тепловое сопротивление корпуса транзистора;

Cths, Rths — теплоемкость и тепловое сопротивление теплостока.

Тепловое сопротивление определяет температурный градиент в установившемся состоянии, а тепловая емкость позволяет смоделировать переходные тепловые процессы. Произведение Rth.Cth является тепловой постоянной времени, определяющей процессы, происходящие при импульсном изменении рассеиваемой мощности.

Программа HEXRISE позволяет пользователю упростить процесс теплового расчета силовых каскадов на MOSFET-транзисторах. Исходными данными для расчета являются параметры транзистора, приведенные в его технических характеристиках, — график зависимости теплового импеданса от длительности импульса проводимости и значение сопротивления открытого канала Rds(on). Принципы работы программы изложены ниже.

На рис. 3а показан процесс изменения температуры кристалла за время t1 (
DT@t1) при подаче на кристалл мощности Р1. Температуру в установившемся состоянии (момент времени t1) можно определить по формуле:

DT@t1=P1 x Rth1,

где Rth1 — тепловое сопротивление, соответствующее интервалу времени t1.

К моменту времени t2 температура изменится в соответствии с выражением:

DT@t2=P1 x Rth2–P1 x Rth1

Потери мощности в импульсном силовом каскаде возникают при протекании тока и в любом случае являются функцией тока. График изменения тока, независимо от его формы, может быть разделен на элементарные участки. Для каждого участка можно определить рассеиваемую мощность и тепловое сопротивление, как показано на рис. 3b. Соответственно может быть рассчитано и изменение температуры кристалла в любой момент времени.

Абсолютная температура кристалла TN может быть определена в результате последовательных вычислений мгновенных значений изменения температуры:

TN=P1 x (RN–RN-1)+ P2 x (RN-1–RN-2)+…+PNR1 (1)

где:

TN — изменение температуры кристалла в N-й интервал времени;

PN — мгновенное значение мощности кристалла в N-й интервал времени, рассчитанное на основании среднего значения тока в этом интервале;

RN — мгновенное значение теплового сопротивления кристалл — корпус (Rthjc) для N-го момента времени.

Принцип работы программы

Программа HEXRISE использует для работы значение переходного теплового импеданса R и его изменение во времени в соответствии с выражением:

R(t)=XTхT
^YT,

где: YT = log(R1/R2)/log(T1/T2); XT=R/T
^YT

Примечание: данные выражения справедливы только для вычислений в пределах времени Tlim, ограничивающего график теплового импеданса в его линейной части (см. рис. 4).

Данный график обязательно приводится в технических характеристиках на силовые транзисторы и модули. В документации фирмы International Rectifier и ряда других ведущих производителей тепловой импеданс обозначается как ZthJC.

Программа HEXRISE работает в следующей последовательности:

• С помощью графика теплового импеданса рассчитываются константы XT и YT, необходимые для вычисления теплового сопротивления, как функцию времени.
• Создается таблица значений тепловых сопротивлений для различных форм тока (R1…RN) и разности тепловых сопротивлений (RN–RN-1) для выбранного количества временных интервалов.
• Рассчитываются мгновенные значения мощности рассеяния для каждого элементарного временного интервала выбранной пользователем формы тока (P1…PN).
• Создается матрица из значений мощности и значений разности тепловых сопротивлений для N временных интервалов (P1х(RN–RN-1)) … (PNхRN).
• Суммируются изменения температуры для всех интервалов времени в соответствии с выражением (1).

Как уже было сказано, программа осуществляет корректный расчет только в пределах линейной части графика теплового импеданса. Программа ориентирована на анализ схем на MOSFET-транзисторах и позволяет рассчитывать текущее значение градиента температуры на участке кристалл—корпус.

Программа может применяться для высокочастотных схем, когда длительность импульса проводимости много меньше тепловой постоянной времени. Именно такой режим чаще всего используется в современных преобразователях. При этом мгновенные колебания температуры сравнительно невелики и основное значение имеет средняя рассеиваемая мощность. Для анализа установившегося состояния в случае, когда мгновенные изменения температуры кристалла невелики, необходимо устанавливать время расчета, равное 10 периодам проводимости.

Для такого режима необходимо учесть динамические потери, создаваемые при переключении транзистора, и рассчитать суммарную мощность рассеяния. Значение суммарной мощности необходимо для расчета перепада температуры, создаваемого теплоотводом.

В большинстве конкретных применений транзистор устанавливается на теплосток, и тепловое поведение всей конструкции зависит от параметров теплостока и способа охлаждения. Пользователя прежде всего интересует градиент температуры между кристаллом и окружающей средой. При этом большое значение имеет не только установившееся значение, но и переходные тепловые процессы.

Ниже перечислены основные случаи, для которых применима программа HEXRISE. Комбинируя результаты расчетов в различных режимах, можно проанализировать мгновенные изменения температуры кристалла относительно корпуса и учесть влияние теплоотвода. Считается, что во всех рассматриваемых случаях постоянная времени теплоотвода много больше постоянной времени кристалла.

Режимы работы программы

1. Одиночные импульсы мощности (рис. 5)
   

   Особенности данного режима:

   • Период работы транзистора (время включения + время выключения) меньше Tlim.
   • Внешний теплоотвод отсутствует.
   • Максимальная температура кристалла Tjmax=Tjn(1)+Tb, где Tb — начальная температура корпуса транзистора.
2. Повторяющиеся импульсы мощности с периодом меньше Tlim (рис. 6)
   

   Особенности данного режима:

   • Период работы транзистора (время включения + время выключения) меньше Tlim.
   • Каждый следующий пик температуры кристалла Tjn(n) и температура в конце рабочего периода Tjr(n) выше, чем в предыдущем периоде.
   • Внешний теплоотвод отсутствует.
   • Максимальная температура кристалла Tjmax=Tjn(n)+Tb, где Tb — начальная температура корпуса транзистора.
3. Повторяющиеся импульсы мощности с периодом более Tlim (рис. 7).
   

   Особенности данного режима:

   • Период работы транзистора (время включения + время выключения) больше или равен Tlim.
   • Каждый следующий пик температуры кристалла Tjn(n) и температура в конце рабочего периода Tjr(n) выше, чем в предыдущем периоде. Отсутствует режим установившегося состояния.
   • Внешний теплоотвод оказывает значительное влияние на тепловые режимы.
   • Максимальная абсолютная температура кристалла для n импульсов проводимости

     Tjmax=(Tjn(n)–Tjr(n))+WґRthsa+Tamb,

     где:

     Tamb — температура окружающей среды;

     W — средняя за период рассеиваемая мощность;

     Rthsa — тепловое сопротивление теплостока для n-го периода времени.

4. Повторяющиеся импульсы мощности с учетом теплостока в установившемся состоянии (рис. 8)
   

   Особенности данного режима:

   • Тепловые режимы не меняются от периода к периоду Tjn(1)=Tjn(n).
   • Максимальная абсолютная температура кристалла:

     Tjmax=(Tjn(n)–Tjr(n))+WґRthsa+Tamb,

     где:

     Tamb — температура окружающей среды;

     W — средняя за период рассеиваемая мощность;

     Rthsa — тепловое сопротивление теплостока в установившемся состоянии.

   В данном режиме время расчета должно быть в несколько раз больше периода проводимости для достижения установившегося состояния.

Системные требования

Программу рекомендуется устанавливать на ПК с процессором Pentium III 850 МГц и памятью 256 Мб. Объем необходимого дискового пространства зависит от установленной версии Windows. Программа не работает с Windows 95. На ПК должен быть установлен Microsoft Access XP (2002) или Microsoft Access 2000.

Порядок работы

1. Из меню выбирается требуемая форма тока (рис. 9).
   
2. На основании технических характеристик заполняется таблица (рис. 10).
   
3. После ввода требуемых данных необходимо нажать кнопку «Verify Data» и при необходимости скорректировать введенные значения.
4. Если нужно увеличить разрешение графика тока, включите режим «Manual» и измените разрешение.
5. Нажмите кнопку «Calculate Now» для запуска программы.
6. В строке состояния можно наблюдать за ходом моделирования. После окончания расчета нажатием «Amps», «Watts» или «Temp» можно выбрать необходимый режим вывода результатов.

Заключение

Программа HEXRISE предназначена для оценки температуры кристалла транзисторов MOSFET в различных режимах работы при различных формах тока. Программа позволяет непосредственно вычислять мгновенные колебания температуры кристалла при работе без теплоотвода. При использовании теплостока в режиме установившихся и меняющихся тепловых режимов результат может быть получен за счет суммирования и усреднения мгновенных тепловых процессов.

Работа программы основана на данных графика теплового импеданса, приводимых в технических характеристиках, что исключает необходимость раздельного анализа тепловых параметров кристалла и корпуса транзистора.

Программа HEXRISE имеет удобный интерфейс, позволяющий пользователю выбрать необходимую форму тока и следить за мгновенным изменением температуры кристалла.

Литература

1. Calculating temperature gradients in power MOSFETs with the «HEXRISE» program. Doug Butchers. International Rectifier GB Ltd.
2. Thermal Considerations in the Application of Silicon Rectifier. IR Designer’s Manual. 1991.
3. А. И. Колпаков. Автоматизация теплового расчета оконечных каскадов на IGBT транзисторах // Экспресс-Электроника. 1998. No 5–6.
4. А. Колпаков. Особенности теплового расчета импульсных силовых каскадов // Компоненты и Технологии. 2002. No 1.