S Tehoelektroniikan komponentit J. Niiranen 1 (12) Tentti , kello , sali S3

Transkriptio

1 S8.3 Tehoelektroniikan komponentit J. Niiranen () Tentti 8.3.3, kello 9..., sali S3 Papereihin Tentissä sallitut apuvälineet sukunimi ja etunimet kynät, kumit jne. opiskelijanumero taskulaskin koulutusohjelma. lukion kaavakokoelma tms. + Laplace taulut. Selvitä lyhyesti (max....4 lausetta + mahdollinen kuva), mitä seuraavilla termeillä tarkoitetaan ioniistutus takavirran varaus SO prospektiivinen oikosulkuvirta ESR.. Esittele IGBT:n rakenne, toimintaperiaate ja ominaisuudet. 3. Esittele kiihdytetty superpositiomenetelmä. Mitä muita menetelmiä on komponentin lämpenemän laskuun yleisessä tapauksessa? Mitkä ovat niiden edut ja haitat? 4. Erään laitteen hakkuriteholähteen tehopuolijohteiden jäähdyttämiseksi luonnollisella tuuletuksella on aiottu muotoilla laitteen 6 mm korkea takaseinä oheisen kuvan poikkileikkauksen mukaiseksi rivoitukseksi (vain yhden komponentin osuus esitetty). Kuinka suuri saa komponentin häviöteho korkeintaan olla, kun takaseinän sisäpinnan lämpötila ei saa ylittää 8 C lämpötilaa ulkolämpötilan ollessa 5 C? Käytä kaavaa R th =,7,7,5 P H jossa R th on lämpövastus, yksikkö K/W, on pintaala neliödesimetreissä ja P H häviöteho watteina. Tehtävässä oletetaan, että laitteen sisällä ei ilma kierrä. 5 mm mm 5 mm 4 mm 5. Määrää SiC mosfetin vaatiman jäähdytyselementin lämpövastus, kun fetin virta on oheisen kuvan mukainen. Jäähdytysilman lämpötila on 45 C ja V GS = 8 V. Fetin yli oleva jännite on päällekytkennän aikana 5 V ja katkaisun aikana 7 V. I D 5 µs t 4µs

2 Nchannel SiC power MOSFET Datasheet V DSS R DS(on) (Typ.) I D P D V 8m 35 79W Outline TO47 () () (3) Features Inner circuit ) Low onresistance ) Fast switching speed 3) Fast reverse recovery 4) Easy to parallel 5) Simple to drive 6) Pbfree lead plating ; RoHS compliant Packaging specifications Packing () Gate () Drain (3) Source * Body Diode Tube pplication Solar inverters DC/DC converters Induction heating Motor drives Type Reel size (mm) Tape width (mm) Basic ordering unit (pcs) 3 Taping code Marking bsolute maximum ratings (T a = 5 C) Parameter Symbol Value Unit Drain Source voltage V DSS V Continuous drain current T c = 5 C T c = C * I D * I D 35 drain current I D,pulse * 8 Gate Source voltage V GSS 6 to V Power dissipation (T c = 5 C) P D 79 W Junction temperature T j 5 C Range of storage temperature T stg 55 to 5 C ROHM Co., Ltd. ll rights reserved. /. Rev.C

3 Thermal resistance Parameter Symbol Min. Values Typ. Max. Unit Thermal resistance, junction case R thjc.7 C/W Thermal resistance, junction ambient R thj 5 C/W Soldering temperature, wavesoldering for s T sold 65 C Electrical characteristics (T a = 5 C) Parameter Symbol Conditions Min. Values Typ. Max. Unit Drain Source breakdown voltage V (BR)DSS V GS = V, I D = m V Zero gate voltage drain current V DS = V, V GS = V I DSS T j = 5 C T j = 5 C Gate Source leakage current I GSS V GS = V, V DS = V n Gate Source leakage current I GSS V GS = 6V, V DS = V n Gate threshold voltage V GS (th) V DS = V GS, I D = 4.4m.6 4. V Static drain source on state resistance R DS(on) V GS = 8V, I D = T j = 5 C 8 7 T j = 5 C 5 m Gate input resistance R G f = MHz, open drain 6.3 ROHM Co., Ltd. ll rights reserved. /. Rev.C

4 Electrical characteristics (T a = 5 C) Parameter Symbol Conditions Min. Values Typ. Max. Unit Transconductance g fs V DS = V, I D = 3.7 S Input capacitance C iss V GS = V 8 Output capacitance C oss V DS = 8V 77 pf Reverse transfer capacitance C rss f = MHz 6 Effective output capacitance, energy related C o(er) V GS = V V DS = V to 5V 6 pf Turn on delay time t d(on) V DD = 4V, V GS = 8V 35 Rise time t r Turn off delay time t d(off) I D = R L = ns Fall time R G = t f Gate Charge characteristics (T a = 5 C) Parameter Symbol Conditions Min. Values Typ. Max. Unit Total gate charge Q g V DD = 4V 6 Gate Source charge Q gs I D = 7 nc Gate Drain charge Q gd V GS = 8V 3 Gate plateau voltage V (plateau) V DD = 4V, I D = 9.7 V * Limited only by maximum temperature allowed. * PW s, Duty cycle % ROHM Co., Ltd. ll rights reserved. 3/. Rev.C

5 Body diode electrical characteristics (SourceDrain) (T a = 5 C) Parameter Symbol Conditions Min. Values Typ. Max. Unit Inverse diode continuous, forward current Inverse diode direct current, pulsed I S * I SM * T c = 5 C 5 8 Forward voltage V SD V GS = V, I S = 4.6 V Reverse recovery time Reverse recovery charge Peak reverse recovery current t rr Q rr I rrm I F =, V R = 4V di/dt = 5/ s 3 ns 44 nc.3 Typical Transient Thermal Characteristics Symbol Value Unit Symbol Value Unit R th.98 C th.5 R th.37 K/W C th.3 Ws/K R th3. C th3.666 ROHM Co., Ltd. ll rights reserved. 4/. Rev.C

6 Electrical characteristic curves Fig. Power Dissipation Derating Curve Fig. Maximum Safe Operating rea 8 P W = us P W = ms 6 4 Operation in this area is limited by R DS(ON) P W = ms 5 5 Junction Temperature : Tj [ C] P W = ms T a = 5ºC Single Pulse.. Drain Source Voltage : V DS [V] Fig.3 Typical Transient Thermal Resistance vs. Pulse Width T a = 5ºC Single Pulse Pulse Width : PW [s] ROHM Co., Ltd. ll rights reserved. 5/. Rev.C

7 Electrical characteristic curves Fig.4 Typical Output Characteristics(I) Fig.5 Typical Output Characteristics(II) V GS = V V GS = 8V V GS = 6V V GS = 4V V GS = V V GS = 8V V GS = 6V V GS = 4V V GS = V 5 5 V GS = V V GS = V T a = 5ºC V GS = V T a = 5ºC Drain Source Voltage : V DS [V] Drain Source Voltage : V DS [V] Fig.6 Typical Output Characteristics(I) Fig.7 Typical Output Characteristics(II) V GS = 6V V GS = 4V V GS = V V GS = 8V V GS = V V GS = V T a = 5ºC V GS = 8V V GS = 6V V GS = 4V V GS = V V GS = V V GS = V T a = 5ºC Drain Source Voltage : V DS [V] Drain Source Voltage : V DS [V] ROHM Co., Ltd. ll rights reserved. 6/. Rev.C

8 Electrical characteristic curves Fig.8 Typical Transfer Characteristics V DS = V Fig.9 Gate Threshold Voltage vs. Junction Temperature V DS = V I D = m.. T a = 5ºC T a = 75ºC T a = 5ºC T a = 5ºC Gate Source Voltage : V GS [V] Junction Temperature : T j [ C] Fig. Transconductance vs. Drain Current V DS = V. T a = 5ºC T a = 75ºC T a = 5ºC T a = 5ºC... Drain Current : I D [] ROHM Co., Ltd. ll rights reserved. 7/. Rev.C

9 Electrical characteristic curves Fig. Static Drain Source On State Resistance vs. Gate Source Voltage.8.6 T a = 5ºC.5 Fig. Static Drain Source On State Resistance vs. Junction Temperature. V GS = 8V I D =.4. I D =.5 I D = I D = Gate Source Voltage : V GS [V] Junction Temperature : T j [ºC] Fig.3 Static Drain Source On State Resistance vs. Drain Current V GS = 8V. T a = 5ºC T a = 75ºC T a = 5ºC T a = 5ºC.. Drain Current : I D [] ROHM Co., Ltd. ll rights reserved. 8/. Rev.C

10 Electrical characteristic curves Fig.4 Typical Capacitance vs. Drain Source Voltage 4 Fig.5 Coss Stored Energy T a = 5ºC C iss 3 C oss C rss T a = 5ºC f = MHz V GS = V. Drain Source Voltage : V DS [V] Drain Source Voltage : V DS [V] Fig.6 Switching Characteristics Fig.7 Dynamic Input Characteristics t f T a = 5ºC V DD = 4V V GS = 8V R G = 5 T a = 5ºC V DD = 4V I D = t d(off) t r t d(on) 5.. Drain Current : I D [] Total Gate Charge : Q g [nc] ROHM Co., Ltd. ll rights reserved. 9/. Rev.C

11 Electrical characteristic curves Fig.8 Inverse Diode Forward Current vs. Source Drain Voltage V GS = V Fig.9 Reverse Recovery Time vs.inverse Diode Forward Current T a = 5ºC di / dt = 5 / us V R = 4V V GS = V T a = 5ºC T a = 75ºC T a = 5ºC T a = 5ºC Source Drain Voltage : V SD [V] Inverse Diode Forward Current : I S [] ROHM Co., Ltd. ll rights reserved. /. Rev.C

12 Measurement circuits Fig. Switching Time Measurement Circuit Fig. Switching Waveforms VGS ID VDS Pulse width RG D.U.T. RL VDD VGS VDS % 5% 9% 5% % % 9% 9% td(on) tr td(off) tf ton toff Fig. Gate Charge Measurement Circuit Fig. Gate Charge Waveform VGS ID VDS VG RL Qg IG(Const.) D.U.T. VGS VDD Qgs Qgd Charge Fig.3 di/dt Measurement Circuit Fig.3 di/dt Waveform IF D.U.T. RG IF L DRIVER MOSFET VDD trr Irr drr / dt Irr % Irr 9% Irr % ROHM Co., Ltd. ll rights reserved. /. Rev.C

13 S8.3 Tehoelektroniikan komponentit Tentti 338 Ratkaisut Sivu () Tentti RTKISUT Tehtävät 3: Katso kirja Tehtävä 4 R ths =, 7 josta saadaan.7 P,5 H = T S T P H P,85 H max TS T =,7.7 ja edelleen P H max T T,7 S =.7,85 Kotelon sisällä oletettiin ilman kierron olevan mitättömän. Siten jäähdytyselementin voi olettaa jäähtyvän vain ulkopinnaltaan. Ulkopinnan pintaalaksi saadaan = ( 4 mm mm) 6 mm = 78 mm =.78 dm jos elementin ala ja yläpintoja ei huomioida (niiden pintaala on 6 5 mm 5 mm = 45 mm = liiku)..45 dm eli aika pieni. Lisäksi ilma ei niissä välttämättä Sijoittamalla arvot kaavaan saadaan komponentin maksimihäviöksi 8, 85 H max = = P C 5 C.7,7,78,47 W

14 S8.3 Tehoelektroniikan komponentit Tentti 338 Ratkaisut Sivu () Tehtävä 5 Kun V GS = 8 V, T J = 5 C ja I D = 5 saadaan kuvasta 3 R DS,5 Ω Siten johtohäviöenergia per pulssi on E HON = R DS I D t ON,5 Ω (5 ) µs,9 mj Vaihtoehtoisesti voi kuvasta 6 lukea jännitehäviöksi 5 virralla kun V GS = 8 V ja T J = 5 C noin 3.9 V, josta laskemalla päätyy suunnilleen samaan tulokseen. Kytkentähäviöistä valmistaja ei anna tietoja. Kuvassa 5 on annettu fetin kapasitansseihin varautuva energia, joka kuvaa transistorin sisäisiä häviöitä hyvin pienellä kuormavirralla. Nyt kuitenkin virtaa on 5. rvioidaan kytkentähäviöt yläkanttiin olettamalla virran muuttuvan nousu ja laskuaikoina lineaarisesti ja jännitteen olevan tänä aikana vakio. Kuvasta 6 saadaan extrapoloimalla 5 virralla nousuajaksi t r noin 6 ns ja laskuajaksi t f noin ns. Siten kytkentähäviöenergiat ovat E H TON < t U r SD TON I D = 6 ns 5 V 5,39 mj E H TOFF < t U f SD TOFF I D ns 7 V 5 =, mj Koska taajuus on huomattavasti yli khz, voidaan mitoitus tehdä keskimääräisen häviötehon ja pysyvän tilan lämpövastuksen perusteella. Keskimääräiseksi häviötehoksi saadaan P H ave = E H ON + E H TON T + E H TOFF,9 mj +,39 mj +, mj = 4 μs 6 W Siten jäähdytyselementin lämpövastukseksi fetin ja elementin välinen lämpövastus mukaanlukien saadaan R th C T J Rth JCP P H ave H ave T C 5 C,7 6 W 45 C = W 6 W C, W