接下來(lái)介紹IGBT的熱和機(jī)械特性，讓我們更好的了解和使用它。

R θJC — 結(jié)到外殼熱阻

這是從芯片結(jié)到器件外殼外部的熱阻。熱量是設(shè)備本身功率損失的結(jié)果，熱阻與基于這種功率損失的芯片的熱度有關(guān)。之所以稱為熱阻，是因?yàn)槭褂秒姎饽Ｐ透鶕?jù)穩(wěn)態(tài)功率損耗預(yù)測(cè)溫升。

以電流為模型的功率損耗流過(guò)以電阻器為模型的熱電阻，產(chǎn)生溫度升高，以電壓升高為模型?？梢源?lián)額外的電阻器來(lái)模擬外殼到接收器和接收器到環(huán)境的熱阻。不同物理位置的溫度類似于熱阻電路模型中節(jié)點(diǎn)的電壓。因此，在穩(wěn)態(tài)基礎(chǔ)上，結(jié)溫可以計(jì)算為

T J = T C + P損失XR θJC (7)

器件功率損耗是平均開關(guān)損耗、傳導(dǎo)損耗和泄漏損耗的總和。通常，泄漏損失可以忽略不計(jì)。由于外殼到散熱器和散熱器到環(huán)境的熱阻完全取決于應(yīng)用(熱化合物、散熱器類型等)，因此數(shù)據(jù)表中僅指定了 R θJC。即使典型應(yīng)用總是需要散熱，有時(shí)也會(huì)指定 R θJA 。

最大連續(xù)直流電流、總功耗和頻率與電流的關(guān)系等額定值基于最大 R θJC值。使用最大 R θJC值是因?yàn)樗Y(jié)合了裕度來(lái)解釋正常的制造變化并提供一些應(yīng)用裕度。行業(yè)趨勢(shì)是減小最大 R θJC值與典型值之間的差值，該值通常不公布。

Z θJC — 結(jié)殼熱阻抗

熱阻抗是熱阻的動(dòng)態(tài)表親。熱阻抗考慮了器件的熱容量，因此可用于估計(jì)瞬態(tài)功率損耗導(dǎo)致的瞬時(shí)溫度。

瞬態(tài)熱阻抗是通過(guò)向設(shè)備施加不同大小和持續(xù)時(shí)間的功率脈沖來(lái)確定的。結(jié)果是瞬態(tài)阻抗“曲線族”。請(qǐng)注意，曲線族基于最大 R·JC 值，其中包含前面討論的余量。對(duì)于非矩形功率脈沖，必須使用分段線性近似。

可用頻率與電流

可用頻率與電流曲線是數(shù)據(jù)表中更有用的項(xiàng)目之一。盡管它僅限于數(shù)據(jù)表中指定的某些條件(電感式硬開關(guān)、50% 占空比、固定外殼和結(jié)溫、固定測(cè)試電流、電壓和柵極電阻)，但它提供了器件在一個(gè)應(yīng)用程序。業(yè)界的趨勢(shì)可能是使用可用頻率與電流作為比較器件的品質(zhì)因數(shù)，而不是過(guò)多地依賴 IC1 和 I C2額定值。

在電感式硬開關(guān)應(yīng)用中，開關(guān)頻率受到最小和最大脈沖寬度以及傳導(dǎo)和開關(guān)損耗的限制。脈沖寬度限制是由于芯片中的瞬態(tài)熱響應(yīng)造成的。背靠背開關(guān)瞬態(tài)不允許芯片在較大的硬開關(guān)功率損耗尖峰之間冷卻。此外，在以其他方式切換之前反復(fù)不允許切換瞬態(tài)完成可能會(huì)使芯片過(guò)熱。根據(jù)工作溫度和瞬態(tài)熱阻抗，即使占空比非常小，管芯結(jié)也可能過(guò)熱。最小占空比限制對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)，例如在電動(dòng)汽車中，在非常低的功率下，

為了達(dá)到基于最小脈沖寬度的頻率限制，APT 定義了脈沖寬度的最小限制，使得總開關(guān)時(shí)間(開啟和關(guān)閉開關(guān)時(shí)間的總和)必須不超過(guò)開關(guān)周期的 5% . 在大多數(shù)情況下，這是一個(gè)合理的限制，可以通過(guò)瞬態(tài)熱分析來(lái)驗(yàn)證。問(wèn)題是：總切換時(shí)間是多少?可以通過(guò)添加開啟和關(guān)閉電流延遲時(shí)間以及電流上升和下降時(shí)間來(lái)估算。僅不考慮開啟期間的電壓下降時(shí)間，但這相對(duì)較短。總開關(guān)時(shí)間的 5% 開關(guān)周期限制無(wú)論如何都為這個(gè)近似值提供了充足的余量。

P cond是傳導(dǎo)功率損耗(集電極電流乘以 VCE(on)，在該集電極電流乘以占空比)，tdiss 是消耗 Eon2 和 Eoff 以保持指定結(jié)溫的最短時(shí)間。由于傳導(dǎo)損耗基于固定的 50% 占空比假設(shè)，因此它與頻率無(wú)關(guān)。然而，導(dǎo)通損耗越高，消耗開關(guān)損耗所需的時(shí)間就越多。所以 tdiss 的倒數(shù)是我們所追求的最大頻率。

最后，給定集電極電流下的最大開關(guān)頻率只是 f max1和 f max2的最小值。頻率通常受熱限制，除非電流非常低。再次需要注意的是，該曲線適用于被測(cè)設(shè)備 (DUT) 和鉗位二極管在一組特定條件下的感應(yīng)硬開關(guān)。

數(shù)據(jù)表外推示例

假設(shè)在開關(guān)模式電源應(yīng)用中，我們希望在 200 kHz、300 伏特和 35% 占空比下硬開關(guān) 20 安培。柵極驅(qū)動(dòng)電壓為 15 伏，柵極驅(qū)動(dòng)電阻為 15 歐姆。另外，假設(shè)我們只想讓結(jié)達(dá)到 112°C，但仍然可以將外殼保持在 75°C。對(duì)于 600 伏器件，應(yīng)用電壓和 V CES之間有 300 伏的裕量，因此不需要雪崩能力。也不需要短路能力。它是一種橋式配置，因此需要一個(gè)帶有集成反并聯(lián)二極管的 Combi。哪個(gè)設(shè)備可以工作?

由于這是一個(gè)相對(duì)高頻的應(yīng)用，不需要非常堅(jiān)固的器件，Power MOS 7 系列將是最佳選擇。

看起來(lái)創(chuàng)建可用頻率與電流圖的設(shè)備可能會(huì)工作。但是，應(yīng)用條件與數(shù)據(jù)表測(cè)試條件不匹配。我們可以推斷數(shù)據(jù)表的結(jié)果，看看它是否適合應(yīng)用程序。

由于頻率最有可能受到熱限制，我們將從計(jì)算 fmax2 開始。

在 20 安培和 125°C 時(shí)，VCE(on) 約為 2.1 伏。所以 20 安培時(shí)的傳導(dǎo)損耗約為 2.1 X 20 X 0.35 = 14.7 瓦。

在 125°C、20 安培和 15 歐姆時(shí)，E on2介于 300 和 700 μJ 的 15 安培和 30安培E on2值之間。稱之為 500 μJ。E off約為 270 μJ。在 112°C 時(shí)，這些值將略低于此值。

我們可以看到 112°C 時(shí)的 E on2和 E off約為 125°C 時(shí)的值的 80%。因此 E on2和 E off將分別約為 400 和 216 μJ。最后，我們必須調(diào)整電壓差。數(shù)據(jù)表測(cè)試電壓為 400 伏，應(yīng)用電壓僅為 300 伏。因此，我們只需相應(yīng)地縮放 E on2和 E off。

由于這高于我們的 200 kHz 目標(biāo)，因此到目前為止，該設(shè)備似乎可以工作。

實(shí)際上沒(méi)有必要推斷應(yīng)用條件與數(shù)據(jù)表測(cè)試條件的 fmax1 是多少。可以使用延遲時(shí)間和電流上升和下降時(shí)間的圖表來(lái)指示設(shè)備切換的速度。此外，fmax1 限制僅在電流相對(duì)較低的情況下發(fā)揮作用。事實(shí)上，對(duì)于某些設(shè)備，最大頻率總是受到熱限制(fmax2 總是小于 fmax1)。

重要的是要注意數(shù)據(jù)表圖表呈現(xiàn)典型數(shù)據(jù)。零件之間以及測(cè)試電路之間肯定存在一些正常變化。在這個(gè)外推示例中，至少在工作頻率方面有大約 32% 的余量。但真正重要的是設(shè)備在應(yīng)用程序中的性能，結(jié)果表明該設(shè)備肯定值得測(cè)試。如果需要更多的設(shè)計(jì)余量，那么最好也測(cè)試下一個(gè)更大的設(shè)備。