3. Esittele kirjassa esitetyt puolijohdetehokomponenttien jäähdytysmenetelmät ja -laitteet sekä niiden keskinäiset edut ja haitat.

Transkriptio

1 S Tehoelektroniikan komponentit J. Niiranen (8) Tentti , kello , sali S3 Papereihin Tentissä sallitut apuvälineet - sukunimi ja etunimet - kynät, kumit jne. - opiskelijanumero - taskulaskin - koulutusohjelma. - lukion kaavakokoelma tms. + Laplace taulut. Selvitä lyhyesti (max lausetta + mahdollinen kuva), mitä seuraavilla termeillä tarkoitetaan - neutronisäteilytys - Si - SO - heat-pipe - lähivaikutus. 2. Esittele IGBT:n rakenne, toimintaperiaate ja ominaisuudet. 3. Esittele kirjassa esitetyt puolijohdetehokomponenttien jäähdytysmenetelmät ja -laitteet sekä niiden keskinäiset edut ja haitat. 4. Määrää IRG4B20UPbF -IGBT:n vaatiman jäähdytyselementin lämpövastus, kun IGBT:n virta on oheisen kuvan mukainen. Jäähdytysilman lämpötila on 45, V GE = 5 V ja R G = 50 Ω. IGBT:n yli oleva jännite on päällekytkennän aikana 360 V ja katkaisun aikana 500 V. I D 5 20s t 40s 5. SEMiX223GB2Vs moduulin IGBT:n häviöteho on oheisen kuvan mukainen 20 ms jaksolla toistuva ms jono häviötehopulsseja (25 identtistä pulssia tasavälein). Määrää kiihdytettyä superpositiomenetelmää käyttäen lämpötilaero IGBT:n liitoksen ja kotelon välillä pulssijonon viimeisen pulssin lopussa. Tarvittava käyrästö ja sen sarjakehitelmä on seuraavalla sivulla. P H 0s 300 W 300s ms 20ms t

2

3 PD INSULTED GTE BIPOLR TRNSISTOR IRG4B20UPbF UltraFast Speed IGBT Features UltraFast: optimized for high operating frequencies 8-40 khz in hard switching, >200 khz in resonant mode Generation 4 IGBT design provides tighter parameter distribution and higher efficiency than Generation 3 Industry standard TO-220B package Lead-Free G E n-channel V ES = 600V V E(on) typ. GE = 5V, I = 6.5 Benefits Generation 4 IGBTs offer highest efficiency available IGBTs optimized for specified application conditions Designed to be a "drop-in" replacement for equivalent industry-standard Generation 3 IR IGBTs TO-220B bsolute Maximum Ratings Parameter Max. Units V ES ollector-to-emitter Breakdown Voltage 600 V T = 25 ontinuous ollector urrent 3 T = 0 ontinuous ollector urrent 6.5 I M Pulsed ollector urrent 52 I LM lamped Inductive Load urrent 52 V GE Gate-to-Emitter Voltage ± 20 V E RV Reverse Voltage valanche Energy ƒ 5.0 mj P T = 25 Maximum Power Dissipation 60 P T = 0 Maximum Power Dissipation 24 W T J Operating Junction and -55 to + 50 T STG Storage Temperature Range Soldering Temperature, for seconds 300 (0.063 in. (.6mm from case ) Mounting torque, 6-32 or M3 screw. lbf in (.N m) Thermal Resistance Parameter Typ. Max. Units R θj Junction-to-ase 2. R θs ase-to-sink, Flat, Greased Surface 0.50 /W R θj Junction-to-mbient, typical socket mount 80 Wt Weight 2.0 (0.07) g (oz) 0/2/

4 IRG4B20UPbF Electrical T J = 25 (unless otherwise specified) Parameter Min. Typ. Max. Units onditions V (BR)ES ollector-to-emitter Breakdown Voltage 600 V V GE = 0V, I = 250µ V (BR)ES Emitter-to-ollector Breakdown Voltage 8 V V GE = 0V, I =.0 V (BR)ES/ T J Temperature oeff. of Breakdown Voltage 0.69 V/ V GE = 0V, I =.0m I = 6.5 V GE = 5V V E(ON) ollector-to-emitter Saturation Voltage 2.27 I = 3 See Fig.2, 5 V.87 I = 6.5, T J = 50 V GE(th) Gate Threshold Voltage V E = V GE, I = 250µ V GE(th) / T J Temperature oeff. of Threshold Voltage - mv/ V E = V GE, I = 250µ g fe Forward Transconductance S V E = 0V, I = V GE = 0V, V E = 600V I ES Zero Gate Voltage ollector urrent µ 2.0 V GE = 0V, V E = V, T J = V GE = 0V, V E = 600V, T J = 50 I GES Gate-to-Emitter Leakage urrent ±0 n V GE = ±20V Switching T J = 25 (unless otherwise specified) Parameter Min. Typ. Max. Units onditions Q g Total Gate harge (turn-on) 27 4I = 6.5 Q ge Gate - Emitter harge (turn-on) n V = 400V See Fig. 8 Q gc Gate - ollector harge (turn-on) 6 V GE = 5V t d(on) Turn-On Delay Time 2 t r Rise Time 3 T J = 25 ns t d(off) Turn-Off Delay Time I = 6.5, V = 480V t f Fall Time V GE = 5V, R G = 50Ω E on Turn-On Switching Loss 0. Energy losses include "tail" E off Turn-Off Switching Loss 0.2 mj See Fig.,, 3, 4 E ts Total Switching Loss t d(on) Turn-On Delay Time 20 T J = 50, t r Rise Time 4 I = 6.5, V = 480V ns t d(off) Turn-Off Delay Time 90 V GE = 5V, R G = 50Ω t f Fall Time 40 Energy losses include "tail" E ts Total Switching Loss 0.42 mj See Fig. 3, 4 L E Internal Emitter Inductance 7.5 nh Measured 5mm from package ies Input apacitance 530 V GE = 0V oes Output apacitance 39 pf V = 30V See Fig. 7 res Reverse Transfer apacitance 7.4 ƒ =.0MHz Notes: Repetitive rating; V GE = 20V, pulse width limited by max. junction temperature. ( See fig. 3b ) V = 80%(V ES ), V GE = 20V, L = µh, R G = 50Ω, (See fig. 3a) ƒ Repetitive rating; pulse width limited by maximum junction temperature. Pulse width 80µs; duty factor 0.%. 2 Pulse width 5.0µs, single shot.

5 IRG4B20UPbF Load urrent ( ) Square wave: 60% of rated voltage I For both: Duty cycle: 50% T J = 25 T sink = 90 Gate drive as specified Power Dissipation = 3W Triangular wave: I lamp voltage: 80% of rated 5 Ideal diodes f, Frequency (khz) Fig. - Typical Load urrent vs. Frequency (For square wave, I=I RMS of fundamental; for triangular wave, I=I PK ) 0 0 I, ollector-to-emitter urrent () T J = 25 T J = 50 V GE = 5V 0. 20µs PULSE WIDTH 0. V E, ollector-to-emitter Voltage (V) I, ollector-to-emitter urrent () T J = 50 T J = 25 V = V 0. 5µs PULSE WIDTH V GE, Gate-to-Emitter Voltage (V) Fig. 2 - Typical Output haracteristics Fig. 3 - Typical Transfer haracteristics 3

6 IRG4B20UPbF Maximum D ollector urrent () V GE = 5V V E, ollector-to-emitter Voltage (V) V GE = 5V 80µs PULSE WIDTH I = 3 I = 6.5 I = T, ase Temperature ( ) Fig. 4 - Maximum ollector urrent vs. ase Temperature T, Junction Temperature ( ) J Fig. 5 - ollector-to-emitter Voltage vs. Junction Temperature Thermal Response (Z thj ) 0. D = SINGLE PULSE (THERML RESPONSE) 2. Peak T J = P DMx Z thj + T t, Rectangular Pulse Duration (sec) Notes:. Duty factor D = t / t 2 Fig. 6 - Maximum Effective Transient Thermal Impedance, Junction-to-ase P DM t t 2 4

7 IRG4B20UPbF, apacitance (pf) V GE = 0V, f = MHz ies = ge + gc, ce SHORTED res = gc oes = ce + gc ies oes res V GE, Gate-to-Emitter Voltage (V) V E = 400V I = V E, ollector-to-emitter Voltage (V) Q g, Total Gate harge (n) Fig. 7 - Typical apacitance vs. ollector-to-emitter Voltage Fig. 8 - Typical Gate harge vs. Gate-to-Emitter Voltage Total Switching Losses (mj) V = 480V V GE = 5V T J = 25 I = R G, Gate Resistance (Ω) Fig. 9 - Typical Switching Losses vs. Gate Resistance Fig. - Typical Switching Losses vs. Junction Temperature 5

8 IRG4B20UPbF Total Switching Losses (mj) R G = 50 Ω T J = 50 V = 480V V GE = 5V I, ollector-to-emitter urrent () 00 0 V GE = 20V T = 25 J SFE OPERTING RE I, ollector-to-emitter urrent () V, ollector-to-emitter Voltage (V) E Fig. - Typical Switching Losses vs. ollector-to-emitter urrent Fig. 2 - Turn-Off SO 6

9 S Tehoelektroniikan komponentitt Tentti Ratkaisut Sivu (4)) Tentti RTKISUT Tehtävät -3: Katso kirja Tehtävä 4 Johtohäviöt: Suoraan kuvasta 2 saadaan 5 virralle viivottimella mittaamalla: E V tai vaihtoehtoisesti kuvasta 5 aukipiirtämällä: 6,5 mm 28 mm.7 V Siis häviöenergia yhden virtapulssin ajalta on H cond E on.7 V 5 20μs 70 μj Kytkentähäviöt: Kuvissa 9, ja on kaikissa päällekytkentä- ja katkaisuhäviöiden summa annettu 480 V jännitteelle. Nyt päällekytkennänn aikana jännite on 360 V ja katkaisussa 500 V. Numeroarvoista nähdään (switching characteristics) lisäksi että 25 º lämpötilassa suhde t on n t off 0, mj 0,2 mj 0,833. Oletetaan, että sama suhde pätee myös isommissa lämpötiloissa. Kuvasta saadaan 5 virralla ja j 480 V jännitteellä ts = 340 μj joten j jaettuna energiat ovat 0,mJ E t on 340μJ 55μJJ 0,22 mj 0,2 mj E t off 340 μj 85μJJ 0,22 mj

10 S Tehoelektroniikan komponentit Tentti Ratkaisut Sivu 2 (4) Jos oletetaan häviöiden olevan verrannollisia jännitteeseen, ovat kytkentähäviöt E E t on t off 360 V 55μJ 480 V 500 V 85μJ 480 V 6 μj 93μJ Siten P H avé T 40 μs E E E 70μJ 6 μj 93μJ 2,0 W H cond t on t off Määritetään kuoren lämpötila kuvan 6 perusteella. Keskimääräinen teho pelkälle johtoajalle laskettuna on P DM T t on P H ave 40μs 2,0 W 20μs 24,0 W ton 20μs Kuvasta 6 kun D 0, 5 ja t ton 20 μs T 40μs saadaan Z th J, W Siten T T J P DM Z th J W, 24 W Jäähdytyselementin lämpövastuksen on siten oltava R th S T T P H ave R th S ,5 6, 2 W W W ==== ========

11 S Tehoelektroniikan komponentitt Tentti Ratkaisut Sivu 3 (4)) Tehtävä 5 Keskimääräinen häviöteho koko 20 ms jakson ajalta on W 300μs P H 2,5 W 20 ms Kiihdytetyn superpositioperiaatteen mukaisesti tämä sijoitetaan loppuvaksi puoleen väliin pulssipaketteja. Väli on ms, joten keskimääräisen tehon loppumisesta seuraavan pulssipaketin alkuun on 5 ms aikaa. Kirjan ohje pulssipaketeille on laskea vain pari viimeisintä pulssia tarkasti ja korvata pulssipaketin alkuosa yhdellä ekvivalenttisella pulssilla. Paketissa on 25 pulssia, joten ekvivalenttiseenn pulssiin jää 23 pulssia, joiden keskimääräinen teho on P H W 300μs 227,5 W μs 300μs Pulssien sijoittelu käy ilmi seuraavasta kuvasta Valmistajaa on antanutt muutoslämpövastuskäyrän sekä graafisesti että e sarjakehitelmänä: Z t 0, 26 K e W 0, t 30 ms 0 4 K e W t 0,5 ms

12 S Tehoelektroniikan komponentit Tentti Ratkaisut Sivu 4 (4) Lämpötila pulssipaketin viimeisen pulssin lopussa saadaan edellisen sivun kuvan aikaskaalalla T jc 9,9 ms PH Z Z 9,9 ms 5 ms PH Z 9,9 ms ms Z 9,9 ms 9, ms Pˆ HZ 9,9 ms 9,2 ms Z 9,9 ms 9,5 ms Pˆ Z 9,9 ms 9,6 ms H Ylläolevan kaavan muutoslämpövastuksien arvoiksi saadaan hiukan poikkeavat arvot riippuen siitä käyttääkö kaavaa vaiko käyrää. Käyrästö antaa hiukan isommat arvot mikä voi olla valmistajan taholta tarkoituksellistakin lukutarkkuuden takia. t Z (t) kaavasta Z (t) käyrästä ms 0,4 K/W 0,5 K/W 4,9 ms 0,0633 K/W 0,065 K/W 9,9 ms 0,0494 K/W 0,053 K/W 0,8 ms 0,045 K/W 0,05 K/W 0,7 ms 0,035 K/W 0,04 K/W 0,4 ms 0,0094 K/W 0,0 K/W 0,3 ms 0,0076 K/W 0,008 K/W Jos käyttää käyrästön arvoja saa tulokseksi T jc 9,9 ms 2,5 W 0,5 K/W 0,065 K/W 227,5 W 0,053 K/W 0,05 K/W 300 W 0,04 K/W 0,0 K/W 300 W 0,008 K/W 2,8 K Kaavasta saatavilla arvoilla lämpenemä on T jc 9,9 ms 2,5 W 0,4 K/W 0,0633 K/W 227,5 W 0,0494 K/W 0,045 K/W 300 W 0,035 K/W 0,0094 K/W 300 W 0,0076 K/W 20, K Edellisen sivun kuvaan on piirretty Z kaava-arvoihin perustuvan kiihdytetyn superpositiomenetelmän lisäksi myös kirjan kaavoilla (8.4) ja (8.5) laskettu lämpenemän käyttäytyminen. Kuten näkyy, kiihdytetty superpositiomenetelmä antaa ainakin tässä tapauksessa hyvin tarkasti saman tuloksen.