Встроенный термодатчик и «виртуальная» температура кристалла: как использовать сенсор для анализа тепловых режимов силового модуля. Часть 2.
Встроенный термодатчик и «виртуальная» температура кристалла: как использовать сенсор для анализа тепловых режимов силового модуля
Часть вторая
Параметры модуля SKiiP39AC12T4V1 из технической спецификации:
IGBT: VCE_25C = 0,8 В, rce_25C = 7 мОм,
Esw = 36,5мДж, TCVCE = — 0,0008 В/К,
Tcrce = 2,67E-5 Ом/К;
FWD: VFO_25C = 1,3 В, rf_25C = 5,6 мОм,
Err = 11,4мДж, TCVf = –0,0032 В/К,
Tcrf = 1,76E-5 Ом/К.
Измеренные значения Rth(j–r):
Rth(j–r)I = 0,3 К/Вт,
Rth(j–r)D = 0,6 К/Вт.
Первый временной шаг, измеренные значения:
Iout = 76 Arms = 107,48 Apk,
M = 1Ю\,
cos(ϕ) = 0,85,
Vcc = 650 В,
Fsw = 4 кГц,
Fout = 20 Гц,
Tr = +100 °C.
Расчет потерь (первая итерация):
В процессе работы инвертора потери, генерируемые соседними чипами, влияют на температуру исследуемого ключа и, следовательно, на эффективное тепловое сопротивление между ним и датчиком температуры (рис. 11). Количественная оценка взаимных тепловых импедансов позволяет использовать комплексный метод расчета температуры Tj, описанный далее.
Таким образом, тепловая связь между кристаллом и датчиком температуры во многом зависит от того, насколько потери в других ключах влияют на объект испытаний (рис. 12).
Полупроводниковый элемент, для которого необходимо определить конечную температуру в конкретной схеме, обозначим Self. Уточним, что в данном руководстве определение «ключ» относится к одному электрическому элементу (например, IGBT или диоду).
В некоторых других документах под одиночным ключом подразумевается соединение IGBT и антипараллельного диода.
В лабораторных условиях потери должны генерироваться каждым ключом отдельно, а температура кристаллов измеряться с помощью одного из методов, описанных выше. Следующий пример относится к полумостовой схеме (рис. 12).
1. Потери приложены только к ключу 1 (Self), измеряются Tj_Switch1 и Tr. Расчет:
2. Потери приложены только к ключу 2, измеряются Tj_Switch1 и Tr. Расчет:
3. Потери приложены только к ключу 3, измеряются Tj_Switch1 и Tr. Расчет:
4. Потери приложены только к ключу 4, измеряются Tj_Switch1 и Tr. Расчет:
Шаги A–B повторяются для остальных трех ключей. Результаты представлены в виде матрицы (табл. 5).
| Потери на: Измерение Tj |
TOP IGBT (Ключ 1) | BOT IGBT (Ключ 2) | TOP FWD (Ключ 3) | BOT FWD (Ключ 4) |
| TOP IGBT (Ключ 1) | Rth(j-r)_Switch1,1 (Self) | Rth(j-r)_Switch1,2 | Rth(j-r)_Switch1,3 | Rth(j-r)_Switch1,4 |
| BOT IGBT (Ключ 2) | Rth(j-r)_Switch2,1 | Rth(j-r)_Switch2,2 (Self) | Rth(j-r)_Switch2,3 | Rth(j-r)_Switch2,4 |
| TOP FWD (Ключ 3) | Rth(j-r)_Switch3,1 | Rth(j-r)_Switch3,2 | Rth(j-r)_Switch2,2 (Self) | Rth(j-r)_Switch3,4 |
| BOT FWD (Ключ 4) | Rth(j-r)_Switch4,1 | Rth(j-r)_Switch4,2 | Rth(j-r)_Switch4,3 | Rth(j-r)_Switch4,4 (Self) |
При использовании динамического теплового импеданса параметр Rth(j–r)_Switch#,c заменяется элементом модели Фостера — Zth(j–r)_Switch#,c. Отметим, что матрицу можно упростить, если, например, отсутствует тепловая связь между кристаллами или если шаговый отклик системы может быть смоделирован с применением только одного элемента Rth/Tau.
Комплексный метод step by step (кратковременные, высокие перегрузки и режим опрокидывания крутящего момента)
Во время работы системы потери любого ключа вычисляются в режиме реального времени с использованием измеренных значений. Частота дискретизации высокая: например, 1/fsw или кратное число. Если fsw >> fout, а ток меняется в течение нескольких циклов коммутации незначительно, то можно объединить несколько периодов ШИМ в один шаг расчета, чтобы снизить загрузку контроллера. Для реализации алгоритма необходимо создать матрицу Zth, как описано выше. В процессе расчета ее можно упростить до матрицы Rth, если частота дискретизации > 0,5 c.
Необходимые параметры схемы (инвертор)
i(t) — мгновенное значение выходного тока;
v(t) — мгновенное значение выходного фазного напряжения;
М — коэффициент модуляции для текущего периода коммутации;
Vcc — напряжение DC-шины;
Fsw — частота коммутации.
Расчет потерь
Методика расчета потерь основана на использовании мгновенных значений параметров понижающего DC/DC-конвертора.
DCIGBT = 0,5 + v(t)/Vcc
DCFWD = 1 — DCIGBT
Расчет температуры кристаллов
Температуру любого из N ключей в модуле можно рассчитать в момент времени tm+1 следующим образом:
где:
Switch# — исследуемый ключ (также индекс строки);
c — индекс столбца исследуемого ключа;
N — общее число ключей/строк/столбцов;
i — индекс элемента схемы Фостера;
n — общее число элементов схемы Фостера для исследуемого ключа.
Для фиксированного градиента Δtm, значения e–X и (1 — e–X) становятся набором констант, которые могут быть включены в матрицу Zth.
Пример расчета
В этом примере температура верхнего ключа полумостового модуля рассчитывается с помощью величины потерь (табл. 6) для теоретической системы, работающей в течение 1 с. Для упрощения используются постоянные значения потери и постоянная температура датчика, но данный подход применим и для переменных значений. Температура на каждом следующем цикле рассчитывается на основе результатов, полученных на предыдущем временном шаге (рис. 13, табл. 7).
Пользуясь приведенной выше формулой, определяем Tj_IGBT_TOP (1c) = +97,8 °C. В данном примере температура ТОР IGBT повысилась на 17,8 °C после 1 с работы. Увеличение на 15,7 °С вызвано саморазогревом кристалла (выделено красным цветом), дополнительный нагрев на 2,08 °С обусловлен влиянием остальных трех ключей (выделено синим, зеленым и фиолетовым цветом). В этом случае все значения положительные, но они могут быть и отрицательными, если потери в других кристаллах уменьшают разность температур между датчиком и исследуемым ключом.
| Временной шаг | 0 с | 1 с |
| PIGBT_TOP, Вт | 300 | 300 |
| PIGBT_ВОТ, Вт | 300 | 300 |
| PFWD_TOP, Вт | 100 | 100 |
| PFWD_BOT, Вт | 100 | 100 |
| Tsensor, °C/td> | 80 | 80 |
| Tj_IGBT_TOP, °C | 80 | Tj_IGBT_TOP (1c) |
| Ключ | TOP IGBT | BOT IGBT | TOP FWD | BOT FWD | ||||||||
| TOP IGBT | i | Rth(j–r) | tau | i | Rth(j–r) | tau | i | Rth(j–r) | tau | i | Rth(j–r) | tau |
| 1 | 0,0054 | 0,0028 | 1 | 0,0064 | 3,7000 | 1 | 0,0248 | 1,2 | 1 | 0,0087 | 4,7 | |
| 2 | 0,0086 | 0,025 | 2 | 0 | 1 | 2 | 0,0024 | 3 | 2 | 0 | 1 | |
| 3 | 0,0190 | 0,1 | 3 | 0 | 1 | 3 | 0 | 1 | 3 | 0 | 1 | |
| 4 | 0,0224 | 0,5 | 4 | 0 | 1 | 4 | 0 | 1 | 4 | 0 | 1 | |
| BOT IGBT | Zth(j-r)_IGBT_BOT:IGBT_TOP | Zth(j-r)_IGBT_BOT:Self | Zth(j-r)_IGBT_BOT:FWD_TOP | Zth(j-r)_IGBT_BOT:FWD_BOT | ||||||||
| TOP FWD | Zth(j-r)_FWD_TOP:IGBT_TOP | Zth(j-r)_FWD_TOP:IGBT_BOT | Zth(j-r)_FWD_TOP:Self | Zth(j-r)_FWD_TOP:FWD_BOT | ||||||||
| BOT FWD | Zth(j-r)_FWD_BOT:IGBT_TOP | Zth(j-r)_FWD_BOT:IGBT_BOT | Zth(j-r)_FWD_BOT:FWD_TOP | Zth(j-r)_FWD_BOT:Self | ||||||||
Выводы
Показания встроенного датчика температуры можно использовать для расчета Tj, однако точность таких вычислений во многом зависит от вычислительных ресурсов, которые разработчик готов заложить в процессе проектирования. Надежная защита от перегрева может обеспечиваться при использовании высокого запаса по перегреву и отключении силового каскада при достижении заданного порога температуры.
Более продвинутый «упрощенный» подход включает измерение теплового импеданса Rth(j–r) и предположение равномерного распределения потерь мощности между ключами, при этом вычисляются средние потери для периодических функций. Такой метод требует небольшой вычислительной мощности и может обеспечить эффективную тепловую защиту в том случае, если преобразовать имеет четко определенный профиль нагрузки с медленными переходными процессами.
Для защиты от динамических перегрузок и работы в особых условиях, таких как, например, работа инвертора при «нулевой» частоте, требуется подробная тепловая модель, учитывающая переходные тепловые импедансы между чипами и датчиком температуры. Тщательные измерения параметров позволяют создать индивидуальную модель каждого ключа, определяющую матрицу динамического теплового импеданса всего модуля. При наличии высоких вычислительных мощностей такая матрица дает достаточную информацию о мгновенных температурах в рабочей области, которые могут быть использованы для мониторинга и динамической защиты.
Литература
- [1] Материалы сайта www.semikron.com
- [2] Wintrich A., Nicolai U., Tursky W., Reimann T. Application Manual Power Semiconductors. 2nd edition, ISLE Verlag, 2015.
- [3] Колпаков А. Контрольная точка, или Как читать datasheet между строк. Часть 1 // Электронные компоненты. 2005. № 6.
- [4] Колпаков А. Контрольная точка, или Как читать datasheet между строк. Часть 2 // Электронные компоненты. 2005. № 9.
