Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

5 Applikationshinweise für IGBT- und MOSFET-Module
5.2.2.2 Sperrschichttemperatur bei stationärem Betrieb (Mittelwertbetrachtung)
Nach der Berechnung der Verluste können die Temperaturen im stationären Betrieb mit Hilfe der
thermischen Widerstände R th
(= Endwert der Z th
-Kurven) berechnet werden. Die Temperaturberechnung
erfolgt beginnend mit der Umgebungstemperatur von außen nach innen (vgl. Beispiel
Bild 5.2.8).
T T
j
a
P
v
R
th
R th(j-c)
R th(c-s)
R th(s-a)
P P =200 W
R th(j-c)
=0,15 K/W
R th(c-s)
=0,05 K/W
R th(s-a)
=0,1 K/W
T j
T c
T s
T a
Example
T j = R th(j-c) · P + T c = 100°C
T c = R th(c-s) · P + T s = 70°C
T s = R th(s-a) · P+ T a = 60°C
T a = 40°C
290
0°C
Bild 5.2.8 Temperaturberechnung unter stationären Bedingungen
Bei mehreren Verlustleistungsquellen auf einem Kühlkörper werden die Einzelverluste aller n 1
Bauelemente zusammenaddiert (z.B. 6 IGBT und 6 Freilaufdioden eines 3-phasigen Wechselrichters)
und mit der Gesamtverlustleistung die Kühlkörpertemperatur berechnet.
T n
s
1
Ptot(T)
Ptot(D)
Rth(sa)
Ta
Bei Modulen mit Bodenplatte besteht eine gute thermische Kopplung zwischen den Bauelementen
eines Moduls, der thermische Widerstand R th(c-s)
ist für das gesamte Modul angegeben, deshalb
werden zur Berechnung der Gehäusetemperatur alle m Verlustleistungsquellen im Modul zusammenaddiert
(z.B. 2 IGBT und 2 Freilaufdioden in einem Halbbrückenmodul):
T n
c
2
Ptot(T)
Ptot(D)
Rth(cs)
Ts
Diese Modellierung führt in einigen Beispielen zu einer überhöhten Temperatur, wenn z.B. von einem
Halbbrückenmodul nur ein IGBT und dessen räumlich entfernte Freilaufdiode verwendet wird
oder im Wechselrichterbetrieb IGBT und parallele Inversdiode zeitlich versetzt Verluste verursachen.
Ist der R th(c-s)
nur für ein einzelnes Bauelement (z.B. den IGBT) gegeben, wird die thermische
Kopplung der Kupferbodenplatte zur Inversdiode vernachlässigt. Hier führt die Modellierung bei
gleichzeitigen Verlusten in IGBT und Diode zu einem Fehler mit zu geringen Temperaturen.
Die Sperrschichttemperatur wird schließlich aus den Verlusten des Einzelbauelementes und dessen
thermischem Widerstand zum Gehäuse für Bodenplattenmodule oder zum Kühlkörper für
bodenplattenlose Module berechnet. Für IGBT ergibt sich damit beispielsweise
T
j(T)
bzw.
T
j(T)
P
P
tot(T)
tot(T)
R
R
th( jc)
th( js)
T
c
T
s
Die Halbleiterverluste sind alle temperaturabhängig, so dass hier zwischen Chiptemperatur und
Verlusten eine Kopplung besteht. Im einfachsten Fall berechnet man die Verluste bei maximaler