Взять для примера эту интереснейшую статью:
ОБ УМЕНИИ ЧИТАТЬ DATASHEET «МЕЖДУ СТРОК».
Часть 1 ее размещена здесь... но на часть 2 есть только сылка на то, что такая вторая часть существует. Поэтому пользуясь известной доброжелательностью автора, приводим ниже эту самую Часть 2
ОБ УМЕНИИ ЧИТАТЬ DATASHEET «МЕЖДУ СТРОК». ЧАСТЬ II
Андрей Колпаков, инженер ООО «СЕМИКРОН»
Keywords модуль IGBT, тепловое сопротивление, перегрев, максимальный ток, SKM, SKKE, BSM, MII, SKM800GA176D, FZ600R17KE3, SKKE330F17, BYM600A170DN2, SEMISEL, IPOSIM
Мы продолжаем обсуждение вопросов, связанных с методиками измерения характеристик силовых модулей, принятыми у разных производителей. В предыдущей статье [1] разговор шел о способах определении теплового сопротивления, являющегося важнейшим параметром для расчета перегрева кристалла. На реальном примере мы показали, что разница в значениях Rth для близких по конструкции модулей может объясняться различными способами их измерения. В данной статье мы поговорим о принципах нормирования
предельных электрических характеристик силовых модулей.
В начале нашего разговора напомним о том, сколь значительной может быть разница в характеристиках, вызванная несовпадением методик измерения тепловых параметров. Тепловое сопротивление «корпус–теплосток» вычисляется по формуле Rth(c-s) = dT(c–s)/Р, где dT(c–s) — это разница температур, измеренных на корпусе модуля и на радиаторе, а Р — величина рассеиваемой мощности. Источником неоднозначности в
данном случае является положениетермодатчиков. Как отмечалось в предыдущей статье, в зависимости от конструкции модуля и стандартов, принятых на фирмах-производителях, существует 4 основных метода определения теплового сопротивления (A, B, C, D), различающихся местом установки измерителей температуры.
Таблица 1. Сравнительные тепловые характеристики модулей SKM600GA125D (SEMIKRON) и FZ400R12KS4 (EUPEC)
| Тип модуля | Rth(j–c), °С / Вт | Rth(c–s), °C / Вт | |||
| Изм. | Справ | Изм.,Метод "А" | Изм.,Метод "В" | Справ | |
| SKM600GA125D | 0,034 | 0,041 | 0,038 | 0,020 | |
| FZ400R12KS4 | 0,039 | 0,050 | 0,032 | 0,018 | 0,010 |
В таблице 1 приведены справочные значения тепловых сопротивлений двух близких по конструкции и электрическим характеристикам модулей, производимых компаниями SEMIKRON и EUPEC. Обратите внимание на то, что справочная величина сопротивления «корпус–теплосток » Rth(c–s) различается почти в 4 раза. В то же время при измерении этого параметра в соответствии со стандартными методиками «А» и «В»
разница не превышает 15% [2].
В таблице 2 показаны электрические характеристики сравниваемых модулей, оказывающие основное влияние на мощность потерь, а следовательно, и на температуру перегрева кристаллов. Как видно из таблицы, модуль SEMIKRON имеет несколько большие статические потери, меньшие потери переключения и соизмеримое значение прямого падения напряжения на антипараллельных диодах.
| Тип модуля | Ic, A, 25/80 C | VCEsat, B, 25/125° при 400 A | Eon/Eoff, мДж, 125° при 400 A | VF, B, 25/125° при 400 A | PIGBT, Вт | PTOT, Вт | TJIGBT, °C |
| Расчет SemiSel IPOSIM | |||||||
| SKM600GA125D | 580/400 | 3,3/4 | 30/22 | 2/1,8 | 297,0 | 352 | 83,0 |
| FZ400R12KS4 | 510/400 | 3/3,6 | 38/32 | 2/1,7 | 333,8 | 408 | 85,8 |
Таблица 2. Сравнительные электрические характеристики модулей SKM600GA125D (SEMIKRON) и FZ400R12KS4 (EUPEC)
Приведенные характеристики подтверждают, что оба модуля стандартного размера 62 мм находятся в одной «весовой категории». Если пользоваться справочным значением теплового сопротивления Rth(c–s) «корпус–теплосток», не задумываясь о методике его измерения, результаты расчетов, естественно, покажут более высокий нагрев кристаллов модуля SKM600GA125D.
В предыдущей статье мы предположили, что хорошим методом сравнения характеристик силовых модулей в условиях конкретного применения может быть тепловой расчет, выполненный с помощью «фирменного» программного обеспечения. Прежде всего, такие программы полезны для определения мощности потерь. В корректности этих расчетов не приходится сомневаться, так как для них используются классические и проверенные
методики. Главной проблемой, как мы уже убедились, является сопоставление тепловых характеристик.
В данном случае можно использовать программу IPOSIM V6.0b, разработанную EUPEC, а также хорошо известную нашим разработчикам программу теплового расчета и выбора
компонентов SemiSel [3, 4] компании SEMIKRON. Анализ производится для следующих условий эксплуатации:
– напряжение DC-шины VDC 600 В;
– выходное напряжение Vout (для SemiSel) 400 В;
– коэффициент модуляции m (для IPOSIM) 0,9;
– выходной ток (среднеквадрати чное значение) Irms/Iout 200 А;
– рабочая частота fsw 8 кГц;
– температура окружающей среды 40°С.
Фрагмент окна results с результатами вычислений, произведенных программой IPOSIM, приведен на рисунке 1,
а программой SemiSel — на рисунке 2.
Для того чтобы расчеты были максимально сопоставимы, мы уравняли при помощи поправочного коэффициента (Correction factor) тепловое сопротивление Rth(s–a) «радиатор — окружающая среда» модуля SEMIKRON с величиной, установленной для модуля EUPEC (Rthh = 0,05). Полученные значения мощности потерь и температуры кристаллов приведены в последнем столбце таблицы 2. Обратите внимание на то, что величина рассеиваемой мощности для модуля SEMIKRON ниже более чем на 10%, а температура кристаллов IGBT практически совпадает. Причиной этого, очевидно, является некорректная величина Rth(c–h), использованная при вычислениях.
При работе со специализированными программами теплового расчета особое внимание следует уделять точности ввода исходных данных, и в первую очередь — тепловых сопротивлений.
Основой для сравнения должен служить уровень рассеиваемой мощности, определяемый по
сходным методикам, и не зависящий от Rth. При расчете температуры кристаллов следует учитывать методики измерения тепловых характеристик.
У каждого производителя электронных компонентов принята собственная система обозначений, и не стоит сетовать, что они не подчиняются единому стандарту. Разговоры о том, что документация фирмы Х, нормирующей технические характеристики при 80°С, «правильнее», чем у компании Y, определяющей их при 25°С, относятся больше к области психологии, чем к технике. Такие сравнения чаще всего — некорректны.
Например, в качестве номинального указывается постоянный ток коллектора, а много ли вы знаете применений, когда IGBT работает на постоянном токе? Конечно, большинство разработчиков понимает, что цифры, содержащиеся в названии модуля, не эквивалентны его техническим характеристикам, и выбор может делаться только на основании детального расчета мощности рассеяния и температуры перегрева в реальных
условиях эксплуатации.
С 2004 г. компания SEMIKRON использует систему обозначений модулей IGBT [2], в соответствии с которой в таблице «Absolute Maximum Ratings» приводятся данные о максимальном значении постоянного тока коллектора при двух значениях температуры корпуса: 25 и 80°С. Эта мера призвана в какой-то степени смягчить разночтения и облегчить процесс сопоставления модуля с изделиями других производителей.
В технической документации, выпускаемой компанией, следует различать номинальный ток модуля (module nominal current) и кристалла (chip rated current). О том, как пользоваться значениями этих токов для сравнения, будет рассказано далее.
Согласно принятым на SEMIKRON стандартам, для модулей IGBT с напряжением 1200 и 1700 В номинальным током модуля IGBT считается максимально допустимый постоянный ток коллектора при температуре корпуса Tc = 25°С. Значение IC, приведенное в таблице для двух значений температуры, вычисляется математически по следующей формуле:
где VCE(0) — пороговое напряжение
«коллектор–эмиттер». Эта величина определяется по прямой характеристике кристалла, и ее не следует путать с напряжением насыщения VCEsat;
rCE — динамическое сопротивление открытого транзистора, также определяется по прямой характеристике;
Tjm — максимальная температура кристалла;
Тс — температура корпуса;
Rthjc — тепловое сопротивление «кристалл–корпус».
Величина максимально допустимого тока модуля зависит от его температуры, теплового сопротивления и характеристик кристаллов.
Значение IC дается в основной таблице «Абсолютные максимальные значения» (Absolute Maximum Ratings) технических характеристик (см. рис. 3a). В справочных данных также приводится график зависимости IC от температуры корпуса модуля TC (см.рис. 3б).
У взятого для примера модуля SKM 400GB126D, изготовленного по технологии Trench, значение максимального постоянного тока коллектора меньше, чем у аналогичного модуля 128 серии с чипами SPT IGBT из-за меньшего размера кристаллов (и, соответственно, большего теплового сопротивления Rthjc). Для SKM 400GB128D в таблице абсолютных значений указано, что ток IC при температуре 25 (80)°С составляет, соответственно,
520 (380) А. Напомним, что технология Trench обеспечивает сверхнизкие потери проводимости, а SPT — оптимальный баланс между потерями проводимости и переключения [6]. Обратите внимание на то, что нормированная и указанная в названии цифра (400) для двух типов силовых ключей одинакова. В обоих случаях она не имеет жесткой связи с каким-либо из справочных значений тока.
В отличие от параметров, приведенных на рисунке 3 и соответствующих предельным «статическим» режимам, динамические характеристики IGBT определяются при номинальном токе кристалла ICnom, как показано на рисунке 4. Значения, включенные в таблицу характеристик модуля, являются более «приближенными к жизни», т.к. отражают реальные условия эксплуатации, соответствующие режиму переключения.
Значение параметра ICnom, определяющего номинальный ток кристалла, задается производителем чипов, и оно никак не связано со способом корпусирования и типом корпуса. Основные статические и динамические характеристики IGBT модулей в документации SEMIKRON и ряда других производителей нормируются именно при номинальном токе кристалла. В реальных условиях эксплуатации
эти величины являются исходными данными для тепловых расчетов, вместе с тепловыми сопротивлениями они определяют максимально достижимый ток модуля. В соответствии с принятой системой обозначений значение ICnom указывается для всех модулей SEMIKRON, характеристики которых доступны в каталогах и на сайте фирмы www.semikron.com. Для будущих поколений модулей IGBT именно эту величину планируется использовать в обозначениях элементов. Это необходимо для того, чтобы максимально упростить сопоставление параметров модулей европейских производителей.
Параметр ICRM (повторяющийся пиковый ток коллектора) у большинства производителей установлен равным двойному значению номинального тока коллектора ICRM = 2ICnom. Значение ICRM определяется производителем чипов при заданной длительности импульсов (как правило, 1 мс) и максимальной температуре кристалла Tjm. Естественно, что модуль может выдерживать и большие токи при меньших длительностях.
В любом случае главным ограничением является пиковая температура кристалла, определяемая при помощи динамического теплового импеданса.
Все описанные принципы нормирования характеристик справедливы и для антипараллельных диодов SEMIKRON в отношении параметров IF, IFnom и IFRM. Ряд производителей (например, EUPEC/Infineon и FUJI) используют номинальное значение тока кристалла как нормированную величину для обозначения своих модулей.
Абсолютные максимальные характеристики модуля FF 300R12KE3, в обозначении которого указан ток ICnom, показаны на рисунке 5.
Предельный постоянный ток коллектора модуля (DC-collector current) в данном случае определяется номинальным током кристалла, не зависящим от теплового сопротивления.
Приведенные примеры наглядно поясняют, почему модули SEMIKRON и EUPEC имеют разные нормированные значения тока и разные справоные значения предельного постоянного тока коллектора даже в случае использования одинаковых чипов (обе фирмы применяют при производстве модулей кристаллы IGBT, производимые Infineon и ABB). Очевидно, что умение сравнивать номинальные и предельные токи силовых модулей и разбираться в методиках определения тепловых сопротивлений необходимо при сравнении технических характеристик или поиске замены. Однако не менее важно и уметь сопоставлять параметры, непосредственно влияющие на потери мощности: напряжение насыщения и энергию потерь. С первой составляющей все достаточно ясно:
значение напряжения насыщения должно определяться по графику VCEsat = f (IC). Вторую характеристику (энергия потерь переключения Eon/Eoff) разработчики берут из соответствующих таблиц и корректируют с учетом кривых Eon/off = f(IC), Eon/off = f(Rg), но зачастую также не учитывают условий измерения данного параметра.
Обратите внимание на фрагменты таблиц динамических параметров модулей FZ 600R17KE3 (EUPEC) и SKM 800GA176D (SEMIKRON), приведенных на рисунке 6. Мы использовали для примера данные элементы, так как в них установлены одинаковые кристаллы IGBT. При этом совершенно непонятно, как значение энергии потерь может столь сильно различаться: Eon/off = 200/190 для модуля EUPEC и 335/245 —
для модуля SEMIKRON. Причина оказывается простой и очевидной:
SEMIKRON нормирует динамические характеристики при предельном напряжении «коллектор–эмиттер» VCC = 1200 В, а EUPEC использует при измерениях максимальное напряжение шины постоянного тока VCE = 900 B. Для расчета потерь переключения рекомендуется следующее выражение, учитывающие отклонение значений рабочего тока Iout и напряжения шины питания Vin от нормированных величин (Iref, Vref):
Величина показателя степени kv составляет 1,4; соответственно, интересующий нас коэффициент пересчета в данном случае равен (1200/900)1,4 ~ 1,5. Произведя простейший расчет, вы можете убедиться, что значение энергии потерь у рассматриваемых модулей практически совпадает.
Метод обозначений, используемый компанией Mitsubishi, несколько отличается от описанных выше. Как и в предыдущем случае в названии модулей компании указывается величина номинального тока кристалла (см. рис. 7) при температуре корпуса TC = 80°С. В свою очередь значение TC для номинального тока вычисляется на основе теплового сопротивления Rth(j–c) «кристалл–корпус».
Однако температура корпуса измеряется в данном случае по методике, принципиально отличающейся от той,которая принята у европейских производителей. Именно об этом говорится в примечании: «TC, Tf measured point is just under the chips» — температура корпуса и радиатора измеряется в отверстии радиатора под кристаллом.
Различные методы измерения температуры обусловливают и разницу в значениях тепловых сопротивлений.
Вопросы, касающиеся положения контрольных точек измерения температуры и способов нормирования тепловых сопротивлений модулей, мы достаточно подробно обсудили в предыдущей статье.
Рис. 8. Нормирование «абсолютного максимального u231 значения» тока коллектора и
напряжения насыщения для модуля GA200TD120U (International Rectifier)
Среди американских компаний также нет единого мнения относительно принципа формирования системы обозначений. Один из самых распространенных до недавнего времени способов нормирования параметров использует фирма International Rectifier. В названии модулей IGBT IR приводится значение постоянного тока коллектора, вызывающего нагрев кристалла до 125°С при температуре корпуса 25°С (см. рис. 8). При
нормирования динамических характеристик IR указывает не номинальный ток кристалла, а тот же постоянный ток IC, определенный при 25°С, что еще больше затрудняет сравнительный анализ.
На рисунке 9 показаны аналогичные фрагменты таблиц абсолютных максимальных значений и динамических параметров для модуля MII 200-12A4 другой известной компании IXYS. Обратите внимание на то, что этом случае система обозначений близка к концепции, используемой SEMIKRON: приводятся значения максимального постоянного тока для
температуры корпуса 25 и 80°С (IC25, IC80), импульсного тока при tp = 1 мс, а напряжение насыщения определяется при номинальном токе IC = 150 А. При этом цифра, указанная в названии модуля (200), не имеет жесткой связи с каким-либо из справочных значений. Поскольку американские компании не предлагают специализированных
вычислительных средств (программа IR HEXRISE не позволяет определять перегрев кристаллов в реальных условиях эксплуатации), для сравнения компонентов этих фирм необходимо производить тепловой расчет с помощью соответствующих методик [7, 8]. К сожалению, корректность такого анализа вызывает сомнения, поскольку метод измерения тепловых сопротивлений в документации IR и IXYS не указывается.
Обсуждая способы нормирования предельных характеристик силовых ключей, нельзя не отметить проблемы, касающейся сравнения параметров диодных модулей, особенно быстрых, используемых в качестве оппозитных диодов IGBT. Практика показывает, что и здесь путаницы ничуть не меньше.
На рисунке 10 приведены фрагменты таблиц технических характеристик быстрых диодов SKKE 330F17 (SEMIKRON) и BYM 600A170DN2 (EUPEC), имеющих рабочее напряжение 1700 В. Обратите внимание на то, что для модуля SEMIKRON приведено среднеквадратичное значение прямого тока IFRMS = 450 A без ссылки на температуру и значение среднего выпрямленного тока IFAV = 330 A при TC = 70°C. Для изделия EUPEC дается величина постоянного тока при двух значениях температуры корпуса IFDC = 600/400 A (25/80°C). Как же можно сопоставить предельные возможности данных элементов? Забегая вперед, скажем, что в обоих модулях, имеющих одинаковый корпус, использовано параллельное соединение 8 кристаллов, причем в SKKE 330F17 установлены более мощные чипы. В результате максимальный ток диода SEMIKRON должен быть несколько больше, особенно если учесть, что тепловое сопротивление Rthjc модуля SEMIKRON меньше (0,079 против 0,09). Об этом свидетельствуют и показатели тока перегрузки I2t (135000 против 96800 A2s).
По убеждению автора, сравнение, как и в предыдущих случаях, должно производиться на основе сопоставления характеристик, непосредственно влияющих на мощность потерь. Для диодов это в первую
очередь прямое падение напряжения VFmax и заряд обратного восстановления Qrr. Используя такую методику, мы получаем однозначный ответ. Сравнительные характеристики приведены в таблице 3. При близких динамических параметрах потери проводимости модуля SKKE 330F17 ниже примерно на 10%.
Для точного вычисления максимального значения тока диода IF(AV) можно воспользоваться приведенным выше выражением, модифицированным по отношению к характеристикам диодов:
В данном примере при VTO =
= 1,5 В; rT = 1,9 мОм, Rthjc(DC) =
= 0,079 °С/Вт, Tvjmax = 150°C, допустимая величина прямого тока SKKE330F17 при температуре 25°С и
80°С:
– IF25 = 600 A;
– IF80 = 400 A.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как уже неоднократно отмечалось ранее, понимание физического смыслапараметров силовых модулей является обязательным для специалистов, работающих в сфере силовой электроники. Для того чтобы особенности «фирменных» методик не порождали ошибок при расчетах, уважающий себя разработчик должен не только пользоваться характеристиками, приводимыми в технической литературе, но и уметь корректировать их с учетом условий измерения и «адаптировать » к реальным режимам работы. Сравнение элементов, выпускаемых различными фирмами, только на основании цифр, указанных в обозначении модулей, является совершенно недопустимым. При этом трудно ожидать, что когда-нибудь мировые производители, работающие в разных странах и на разных рынках, приведут свою документацию к единому стандарту. Необходимо учитывать принципы формирования системы
обозначений, методику измерения параметров, и не тратить время на бесполезные споры о том, документация какой фирмы является более удобной или правильной. Для предварительного сопоставления модулей можно использовать значение номинального тока кристалла ICnom, при котором нормируются динамические характеристики модуля. Окончательное решение о выборе или замене силового ключа может быть принято только
на основании теплового расчета. Процесс выбора, сравнения и поиска замены достаточно подробно описан в [7]. Наиболее корректными инструментами для выбора элементов, расчета рабочих режимов и сравнения результатов на наш взгляд являются программы автоматического теплового расчета.
Программы IPOSIM и MelcoSIM есть на сайтах www.eupec.com и www.mitsubishichips.com, соответственно.
Новую локальную версию программы SemiSel V3.0, доступной в интерактивном режиме на сайте www.semikron.com, можно получить у официальных дистрибьютора SEMIKRON
или в центрах технической поддержки SEMIKRON в С-Петербурге и Новосибирске.
//На настоящее время появилась новая версия программы SEMISEL 3.1, о которой можно прочитать в архиве//
ЛИТЕРАТУРА
1. Колпаков А.И. Контрольная точка или как читать datasheet «между строк» //«Электронные компоненты» №6, 2005 г.
2. Freyberg Martin, Scheuermann Uwe. Мeasuring Thermal Resistance of Power Modules. SEMIKRON International. PCIM Europe, May 2003.
3. Grasshoff T. Explanation of different currents in the SEMIKRON IGBT datasheets. SEMIKRON International.
4. Колпаков А.И. Программа теплового расчета SEMISEL//«Компоненты и технологии» №9, 2002г.
5. Колпаков А.И. Принципы работыи особенности программы теплового расчета SEMISEL//«Электронные компоненты» №6, 2004г.
6. Колпаков А.И. SEMITRANS —один в пяти лицах//«Компоненты и технологии» №8, 2003г.
7. Колпаков А.И. MELCOSIM?IPOSIM? SEMISEL! О выборе и замене модулей IGBT//«Силовая электроника» №1, 2005 г.
8. Колпаков А.И. Особенности теплового расчета импульсных силовых каскадов//«Компоненты и технологии» №1, 2002 г.
Technorati Tag модуль IGBT, тепловое сопротивление, перегрев, максимальный ток, SKM, SKKE, BSM, MII, SKM800GA176D, FZ600R17KE3, SKKE330F17, BYM600A170DN2, SEMISEL, IPOSIM
Сообщения
Комментариев нет:
Отправить комментарий