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

Transkriptio

1 S Tehoelektroniikan komponentit J. Niiranen 1 (9) Tentti , kello , sali S4 Papereihin Tentissä sallitut apuvälineet - sukunimi ja etunimet - kynät, kumit jne. - opiskelijanumero - taskulaskin - koulutusohjelma. - lukion kaavakokoelma tms. + Laplace taulut 1. Selvitä lyhyesti (max lausetta + mahdollinen kuva), mitä seuraavilla termeillä tarkoitetaan - diffuusiomenetelmä - takavirta - IGCT - heat-pipe - kaksoiskerroskondensaattori. 2. Esittele IGBT:n rakenne, toimintaperiaate ja ominaisuudet. 3. Esittele kirjassa esitetyt puolijohdetehokomponenttien jäähdytysmenetelmät ja -laitteet sekä niiden keskinäiset edut ja haitat. 4. Määrää CMF212D SiC-MOSFET:in vaatiman jäähdytyselementin lämpövastus, kun fetin virta on oheisen kuvan mukainen. Hilan jännite on johtotilassa + 22 V ja johtamattomassa tilassa 2 V. Hilaohjaimen sisäinen resistanssi on 6,8 Ω. Fetin yli oleva jännite on päällekytkennän aikana 6 V ja katkaisun aikana 8 V. Jäähdytysilman lämpötila on 45 C. I D 25A 2µs t 4µs 5. Erään jännitettä laskevan tasasähkökatkojan lähtövirtapulssit on tarkoitus muodostaa ferriittirenkaasta TN26/15/1-3C9 tehdyn kuristimen avulla. Kuristimen yli on 19 V jännite 1 µs ajan, jona aikana kuristimen virran halutaan kasvavan nollasta noin,5 A maksimiarvoon. a) Kuinka monta johdinkierrosta pitää olla tarvittavan induktanssin aikaansaamiseksi? b) Mikä on renkaan vuontiheys B maksimivirralla kyseisellä kierrosmäärällä? c) Onko kyseinen ferriittirengas sopiva tähän sovellukseen? Perustele päätelmäsi. Kaavoja seuraavalla sivulla, datalehti viimeisellä sivulla. Huom! ferriittirenkaassa ei ole ilmaväliä!

2

3 CMF212D-Silicon Carbide Power MOSFET Z-FeT TM MOSFET N-Channel Enhancement Mode Features Package V DS R DS(on) = 12 V = 8 mω I C =25 C = 33 A Industry Leading R DS(on) High Speed Switching Low Capacitances Easy to Parallel Simple to Drive Pb-Free Plating, RoHS Compliant, Halogen Free Benefits TO G D SS Higher System Efficiency Reduced Cooling Requirements Avalanche Ruggedness Increased System Switching Frequency Applications Solar Inverters High Voltage DC/DC Converters Motor Drives Part Number CMF212D Package TO Maximum Ratings Symbol Parameter Value Unit Test Conditions Note I D Continuous Drain Current 33 V T C = 25 C A 17 V T C = 1 C I Dpulse Pulsed Drain Current 78 A E AS Single Pulse Avalanche Energy 2.2 J Pulse width t P limited by T jmax T C = 25 C I D = 2A, V DD = 5 V, L = 9.5 mh E AR Repetitive Avalanche Energy 1.5 J t AR limited by T jmax I AR Repetitive Avalanche Current 2 A I D = 2A, V DD = 5 V, L = 3 mh t AR limited by Tjmax V GS Gate Source Voltage -5/+25 V P tot Power Dissipation 15 W T C =25 C T J, T stg Operating Junction and Storage Temperature -55 to +125 C T L Solder Temperature 26 C 1.6mm (.63 ) from case for 1s M d Mounting Torque Nm lbf-in M3 or 6-32 screw 2 CMF212D Rev. A

4 Electrical Characteristics Symbol Parameter Min. Typ. Max. Unit Test Conditions Note V (BR)DSS Drain-Source Breakdown Voltage 12 V V GS = V, I D = 1μA V GS(th) I DSS Gate Threshold Voltage Zero Gate Voltage Drain Current V DS = V GS, I D = 1mA, T J = 25ºC V 1.8 V DS = V GS, I D = 1mA, T J = 125ºC 1 1 V DS = 12V, V GS = V, T J = 25ºC μa 1 25 V DS = 12V, V GS = V, T J = 125ºC I GSS Gate-Source Leakage Current 25 na V GS = 2V, V DS = V R DS(on) g fs Drain-Source On-State Resistance Transconductance C iss Input Capacitance 1915 C oss Output Capacitance 12 C rss Reverse Transfer Capacitance 13 t d(on)i Turn-On Delay Time 17.2 t r Rise Time 13.6 t d(off)i Turn-Off Delay Time 62 t fi Fall Time 35.6 E ON Turn-On Switching Loss (25ºC) (125ºC) E Off Turn-Off Switching Loss (25ºC) (125ºC) 8 11 VGS = 2V, ID = 2A, TJ = 25ºC mω V GS = 2V, I D = 2A, T J = 125ºC 7.3 V DS= 2V, I DS= 2A, T J = 25ºC S 6.8 V DS= 2V, I DS= 2A, T J = 125ºC pf ns V GS = V V DS = 8V f = 1MHz VAC = 25mV V DD = 8V V GS = -2/2V I D = 2A R G = 6.8Ω L = 856μH Per JEDEC24 Page 27 R G Internal Gate Resistance 5 Ω V GS = V, f = 1MHz, V AC = 25mV NOTES: 1. The recommended on-state V GS is +2V and the recommended off-state V GS is between -2V and -5V Reverse Diode Characteristics Symbol Parameter Typ. Max. Unit Test Conditions Note μj μj 1 fig. 3 fig. 5 fig. 12 V sd Diode Forward Voltage t rr Reverse Recovery Time 22 ns Q rr Reverse Recovery Charge 142 nc I rrm Peak Reverse Recovery Current 2.3 A 3.5 V GS = -5V, I F =1A, T J = 25ºC 3.1 V V GS = -2V, I F =1A, T J = 25ºC V GS = -5V, I F =2A, T J = 25ºC V R = 8V, di F/dt= 1A/μs fig. 13,14 Thermal Characteristics Symbol Parameter Typ. Max. Unit Test Conditions Note R θjc Thermal Resistance from Junction to Case.58.7 R θcs Case to Sink, w/ Thermal Compound.25 R θja Thermal Resistance From Junction to Ambient 4 C/W fig. 6 Gate Charge Characteristics Symbol Parameter Typ. Max. Unit Test Conditions Note Q gs Gate to Source Charge 23.8 Q gd Gate to Drain Charge 43.1 Q g Gate Charge Total 9.8 nc V DD = 8V I D =2A V GS = -2/2V Per JEDEC24-2 fig.9 8 CMF212D Rev. A

5 Typical Performance I D (A) V GS=2V V GS=18V V GS=16V I D (A) V GS=2V V GS=18V V GS=16V V GS=14V 4 V GS=14V 4 V GS=12V 2 V GS=12V V GS=1V 2 V GS=1V V DS (V) Fig 1. Typical Output Characteristics T J = 25ºC V DS (V) Fig 2. Typical Output Characteristics T J = 125ºC I D (A) 3 2 T = 125 C T = 25 C Normalized R DS(on) V GS=2V V GS (V) Figure 3. Typical Transfer Characteristics T ( o C) Fig 4. Normalized On-Resistance vs. Temperature 1.E-8 V GS = V f = 1 MHz 1.E-8 V GS = V f = 1 MHz C iss C iss 1.E-9 1.E-9 Capacitance (F) 1.E-1 C oss Capacitance (F) 1.E-1 C oss C rss C rss 1.E V DS (V) 1.E V DS (V) Fig 5A and 5B. Typical Capacitance vs. Drain Source Voltage 9 CMF212D Rev. A

6 Typical Performance 1.E+ 1.E-1 Z th ( o C/W) 1.E-2 1.E-3 1.E-4 1.E-6 1.E-5 1.E-4 1.E-3 1.E-2 1.E-1 1.E+ 1.E+1 Time (s) Fig 6. Transient Thermal Impedence, Junction - Case Switching Loss (µj) V GS= -2/2V RG= 11.8Ω Total VDD= 8V ID= 2A Switching Loss (µj) V GS= -2/2V RG= 11.8Ω Total VDD= 8V ID= 2A Temp ( C) Fig 7. Inductive Switching Energy(Turn-on) vs. T Temp ( C) Fig 8. Inductive Switching Energy(Turn-off) vs. T V DS 2 V GS (V) 15 1 I D =2A V DD =8V I DS (A) 15 1 I DS 15 V DS (V) 1 5 E AS = 2.2 J Gate Charge (nc) Fig 9. Typical Gate Charge 25 C Time (s) Fig 1. Typical Avalanche Waveform 1 CMF212D Rev. A

7 Clamped Inductive Switch Testing Fixture tw VGS(on) pulse duration Input (V i ) 5% 9% 9% 5% 1% 1% 856μH C2D112D 1A, 12V SiC Schottky VGS(off) Input Pulse Rise Time Input Pulse Fall Time + 8V μf td(on)i tfi td(off)i tri CMF212D D.U.T. id(on) 1% 1% Output (i D ) 9% 9% id(off) ton(i) toff(i) Fig 11. Switching Waveform Test Circuit Fig 12. Switching Test Waveform Times Ic t rr Qrr= trr id dt tx Vpk tx 1% Vcc Irr 1% Irr Vcc Diode Recovery Waveforms + - 8V 42.3μf 856μH CMF212D CMF212D D.U.T. Diode Reverse Recovery Energy Erec= t2 id dt t1 t1 t2 Fig 13. Body Diode Recovery Waveform Fig 14. Body Diode Recovery Test 11 CMF212D Rev. A

8 E A = 1/2L x I D 2 Fig 15. Avalanche Test Circuit Fig 16. Theoretical Avalanche Waveform Package Dimensions Package TO G D SSS Inches Millimeters POS Min Max Min Max A A A b b b b b c D D D E E E E E e.214 BSC 5.44 BSC N 3 3 L L ØP Q S CMF212D Rev. A

9

10

11

12