Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

5 Applikationshinweise für IGBT- und MOSFET-Module
Case rated devices
(with base plate like Semitrans)
Heat sink rated devices
(without base plate like SKiiP)
T j
P
Power
tot(T) P tot(D) P
source
tot(T) P tot(D)
T c
Z th(j-c)
6P (circuit elements
per device)
Z th(j-s)
T s
Z th(c-s)
6P (devices per
heat sink)
6P (circuit elements
per heat sink)
Z th(s-a)
Z th(s-a)
T a
Bild 5.2.5 Vereinfachtes thermisches Ersatzschaltbild von IGBT und Freilaufdiode im Leistungsmodul;
Links für ein Modul mit Kupferbodenplatte, Rechts für ein Modul ohne Bodenplatte.
Für die thermischen Ersatzschaltbilder werden elektrische Analogien zu thermischen Größen herangezogen.
Die Verlustleistungsquellen P tot(T/D)
entsprechen Stromquellen, konstante Temperaturniveaus
werden durch Spannungsquellen repräsentiert und für die thermischen Impedanzen Z th(x-y)
werden RC-Glieder verwendet. In Leistungsmodulen mit Bodenplatte sind Transistor und Inversdiode
auf eine gemeinsame Kupferfläche gelötet und damit thermisch gekoppelt. Man kann vereinfachend
von einer gemeinsamen Gehäusetemperatur ausgehen. Über die thermische Impedanz
Z th(c-s)
des Moduls muss die Verlustenergie aller modulinternen Bauelemente abgeführt werden
(Bild 5.2.5, links). Verluste des IGBT erwärmen die Bodenplatte und damit auch die Diode, auch
wenn diese selbst gar keine Verluste verursacht. Mehrere Module auf einem Kühlkörper erwärmen
diesen gemeinsam, es wird auch hier von einer einheitlichen Kühlkörpertemperatur ausgegangen.
Bei Modulen ohne Bodenplatte ist die thermische Kopplung im Modul nur gering und nur bei sehr
geringen Abständen zwischen den Wärmequellen vorhanden. Vereinfachend wird hier von einer
gemeinsamen Kühlkörpertemperatur ausgegangen (Bild 5.2.5, rechts). Die Verlustleistungen der
einzelnen Bauelemente werden direkt zum Kühlkörper abgeführt, so dass alle Bauelemente gemeinsam
den Kühlkörper erwärmen.
Zur Nachbildung der thermischen Impedanz sind 2 Ersatzschaltbilder gebräuchlich, das leiterförmige
„physikalische“ Ersatzschaltbild (Bild 5.2.7, links, „Cauer Netzwerk“) und das kettenförmige
„mathematische“ Ersatzschaltbild (Bild 5.2.7, rechts, „Foster Netzwerk“). Beide sind zunächst
gleichwertig einsetzbar. Beim „messen“ der Sprungantwort an einer Blackbox würde man nicht
feststellen können, welche der Ersatzschaltungen verwendet wurden (Bild 5.2.6).
Z th(j-c)
Z th(c-s)
Z th(s-a)
P v
T j T c
T s
Z th(j-c)
=
Z th(c-s)
Z th(s-a)
P v T j
Tc T s
Bild 5.2.6 Nachbildung der thermischen Impedanz mit elektrischen Ersatzschaltbildern
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