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5 Applikationshinweise für IGBT- und MOSFET-Module T j T j(av) P T t t p t Bild 5.2.12 Temperaturverlauf bei periodischer Pulslast Die mittlere Sperrschichttemperatur T j(av) ergibt sich aus dem Produkt von stationärem Wärmewiderstand R th und der mittleren Gesamtverlustleistung P av . Diese erhält man durch die Mittelung der Verlustenergien pro Puls über die gesamte Periodendauer T. Die maximale Sperrschichttemperatur am Ende des Verlustleistungspulses P(t p ) ergibt sich aus -tp T (t j p ) P n 1 R th 1- e 1- e th -T th Bei Pulsdauern im Millisekundenbereich treten bereits merkliche Temperaturhübe auf. Ab einigen 100 ms hat sich bereits eine stationäre Temperaturdifferenz zwischen Chip und Gehäuse eingestellt. 5.2.2.4 Sperrschichttemperatur bei Grundschwingungsfrequenz Die Berechnung der mit der Grundschwingungsfrequenz des Umrichterausgangsstromes zeitlich verlaufenden Sperrschichttemperatur ist nur mit PC-Unterstützung sinnvoll durchführbar. Dabei müssen sowohl das thermische System als auch das elektrische System pro Pulsperiode durchgerechnet werden, um die Sperrschichttemperatur von IGBT und Freilaufdiode über eine Sinushalbwelle aufzuintegrieren. Das thermische Modell entspricht im wesentlichen dem Bild 5.2.5 mit der Nachbildung der thermischen Impedanzen durch Exponentialfunktionen. Mit Vorgabe der aktuellen Wechselrichterparameter wie Zwischenkreisspannung- und Laststrommomentanwert können die Schaltverlustenergien pro Puls aus abgespeicherten Kurven ermittelt werden. Der Momentanwert der Sperrschichttemperatur geht über die Temperaturkoeffizienten in die laufenden Berechnungen ein. Bild 5.2.13 zeigt den simulierten zeitlichen Verlauf und den Mittelwert der Verlustleistung in einem IGBT sowie die daraus resultierenden Verläufe der Sperrschichttemperatur bei verschiedenen Ausgangsgrundschwingungsfrequenzen. T j/T [°C] 110 100 90 80 70 60 50 f ourt ->0Hz 5Hz 50Hz 2 ϑ [rad] 4 P tot/T [W] 160 140 120 100 80 T javg 60 40 20 0 ϑ [rad] Bild 5.2.13 Simulierte Sperrschichttemperatur- und Verlustleistungsverläufe eines 1200 V/50 A-IGBT im Wechselrichterbetrieb bei unterschiedlichen Ausgangsgrundschwingungsfrequenzen; [37] v d = 540 V; i 1eff = 25 A, f s = 8 kHz; cos j = 0,8; m = 0,8; T h = 50°C 2 P totavg 4 293
5 Applikationshinweise für IGBT- und MOSFET-Module Bei einer Frequenz von 50 Hz liegt bei diesem Beispiel die maximale Sperrschichttemperatur nur ca. 4-5 K über dem Mittelwert. Bei niedrigen Frequenzen ist die thermische Auslegung des Systems nach dem Mittelwert der Sperrschichttemperatur wegen der deutlich höheren Maximaltemperatur nicht mehr zulässig. Für Wechselrichter ist daher neben dem Überstrom die Minimalfrequenz bei Nennleistung ein kritischer Parameter. Mit abnehmender Frequenz ergibt sich trotz konstanter mittlerer Verluste eine steigende Maximaltemperatur. Erklärbar ist dies damit, dass die thermischen Zeitkonstanten der Leistungshalbleiter unter einer Sekunde liegen und damit im Bereich üblicher Ausgangsfrequenzen von Wechselrichtern sind. Bei hohen Frequenzen mitteln die thermischen Kapazitäten der Halbleiter(-gehäuse) noch den Temperaturverlauf. Bei niedrigen Frequenzen (
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Applikationshandbuch Leistungshalbl
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