Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

5 Applikationshinweise für IGBT- und MOSFET-Module
Der geringste Fehler bei späteren Berechnungen entsteht, wenn das Gesamtsystem geschlossen
vermessen wird. Aus den zeitabhängigen Temperaturdifferenzen von T j
, T c
, T s
und T a
können die
als Vierpol dargestellten Blöcke für die thermischen Impedanzen Z th(j-c)
, Z th(c-s)
und Z th(s-a)
bestimmt
werden. Dabei werden für das leiterförmige Ersatzschaltbild geometrische Abmessungen und Materialeigenschaften
herangezogen. Es ist für jede Schicht im Aufbau mindestens eine „Sprosse“
notwendig. Meist sind nachträgliche Anpassungen notwendig, um die berechneten an die gemessenen
Funktionen anzupassen. Dabei geht ein Teil des physikalischen Bezugs verloren. Für das
kettenförmige Ersatzschaltbild werden durch Formelmanipulation die Faktoren und Zeitkonstanten
für die Exponentialfunktion ermittelt.
Z
th(xy)
R
th1
1
e
t
th1
R
th2
1
e
t
th2
n
1
R
th
1
e
Meist reichen 2…3 Exponentialglieder für die Nachbildung aus. Der Hauptvorteil der Exponentialfunktionen
ist die leichte Anwendung für die spätere Temperaturberechnung. Für die rechnergestützte
Simulation des zeitlichen Verlaufes der Sperrschichttemperatur gibt SEMIKRON die Parameter
für Z th(j-c)
\Z th(j-s)
von Leistungsmodulen in Form von 2…6 RC-Gliedern im Datenbuch an.
Eine Aneinanderreihung der im Gesamtsystem bestimmten Teilblöcke und das Ermitteln der Zwischentemperaturen
T c
, T s
ist für beide Ersatzschaltungen möglich. Fehlerhaft wird es, wenn ein
Block aus der Kette der thermischen Impedanzen durch einen anderen ersetzt werden soll. Hier
gibt es über die Wärmespreizung eine Rückkopplung auf die Vorgängerblöcke. Dies ist zum Beispiel
der Fall, wenn die Parametrisierung auf einem sehr guten Wasserkühler erfolgte und in der
Anwendung das Bauteil auf einem schlechten Luftkühler montiert ist. Der Einfachheit halber wird
trotzdem meist nur Z th(s-a)
ausgetauscht.
t
th
R
th
d
A
C V c
th
Z
th
n
1
R
th _ n
1
e
t
n
Bild 5.2.7 Nachbildung der Z th
-Vierpol-Blöcke durch thermische Ersatzschaltbilder; Links: leiterförmiges
„physikalisches“ Ersatzschaltbild (Cauer network); Rechts: kettenförmiges „mathematisches“
Ersatzschaltbild (Foster network)
Hinweise für die Verwendung des Foster Netzwerks:
--
Die Zwischenpunkte innerhalb eines Blockes (Bild 5.2.7, rechts) stellen keine Systemtemperaturen
dar.
--
Die R- und C-Elemente können keinen physikalischen Komponenten zugeordnet werden.
--
Die Reihenfolge der RC-Elemente innerhalb eines Blockes ist beliebig austauschbar.
--
Es ist keine Reihenschaltung mit einem Widerstand möglich.
Bei der thermischen Auslegung von Umrichtern sind oft nur die Mittelwerte und Schwankungen
der Sperrschichttemperatur interessant. Berechnungsbeispiele für typische Belastungsfälle zeigen
die nachfolgenden Kapitel.
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