hrvatski

Granice primjene prijelazne toplinske impedancije učinskih komponenata s efektom polja

Predmet istraživanja je prijelazna toplinska impedancija učinskih poluvodičkih komponenata s efektom polja. Cilj istraživanja je utvrdivanje granica primjene prijelazne toplinske impedancije, da bi se proširilo područje primjene prijelazne toplinske impedancije pri projektiranju elektroničkih učinskih pretvarača. Učinske poluvodičke komponente s efektom polja imaju međusobno slična konstrukcijska svojstva. Upravljački im se krug temelji na spoju metal - oksid - poluvodič, a upravljaju se naponskim signalima male energije. Najznačajniji i danas najčešće korišteni predstavnici učinskih komponenata s efektom polja su učinski tranzistor s efektom polja (MOSFET) i bipolarni tranzistor s izoliranom upravljačkom elektrodom (IGBT), i sva su istraživanja provedena na uzorcima tih dviju vrsta komponenata. Prijelazna toplinska impedancija učinske poluvodičke komponente je omjer tijeka nadtemperature silicijeve pločice i gubitaka nastalih u silicijevoj pločici kao isključivih uzročnika nadtemperature. Krivulja prijelazne toplinske impedancije se često, kao kataloški podatak, koristi za proračun temperature silicijeve pločice. Da bi se prijelazna toplinska impedancija mogla koristiti za proračun temperature silicijeve pločice, mora biti smisleno definirana, tj. mora ispunjavati određene uvjete, nazvane uvjetima opstojnosti prijelazne toplinske impedancije. Uvjeti opstojnosti prijelazne toplinske impedancije mogu se podijeliti u nekoliko skupina; uvjete koji proizlaze iz metoda uporabe, uvjete koji proizlaze iz metoda mjerenja i konačno uvjete koji proizlaze iz metoda računanja temperature silicijeve pločice. Najvažniji su uvjeti opstojnosti prijelazne toplinske impedancije linearnost i vremenska invarijantnost toplinskog sustava poluvodičke komponente, vremenska invarijantnost prostorne raspodjele gubitaka unutar silicijeve pločice i uniformnost temperature silicijeve pločice. Prijelazna toplinska impedancija učinskih poluvodičkih ventila može se pod određenim uvjetima aproksimirati zbrojem eksponencijalnih funkcija, što omogućava modeliranje toplinskog sustava poluvodičke komponente, na temelju analogije toplinskih i električkih veličina, nadomjesnim električkim modelom koji se sastoji od niza RC članova u lančastom ili ljestvičastom nizu. Glavni zadatak ovog rada je istraživanje ispunjenosti uvjeta opstojnosti prijelazne toplinske impedancije učinskih poluvodičkih komponenta s efektom polja na temelju mjerenja, pod različitim, smisleno odabranim uvjetima. Za provedbu mjerenja na uzorcima M OSFET i IGBT komponenata razvijen je univerzalni mjerni sustav koji omogućava mjerenje temperature silicijeve pločice električkim metodama, pomoću različitih temperaturno osjetljivih parametara, pod različitim uvjetima stvaranja gubitaka unutar silicijeve pločice. Dobiveni izmjereni podaci o temperaturi silicijeve pločice odgovarajućom se obradom pomoću razvijene programske podrške, pretvaraju u krivulje prijelazne toplinske impedancije. Cijeli je univerzalni mjerni sustav s odgovarajućom programskom podrškom upravljan pomoću osobnog računala i GPIB sabirnice. Detaljno su prikazane sve faze mjerenja na odabranim uzorcima, kao i obrada podataka vođena računalom. Analiza rezultata mjerenja ukazuje na dobru ispunjenost uvjeta opstojnosti prijelazne toplinske impedancije kod učinskih komponenata s efektom polja. Kao najpovoljniji temperaturno osjetljiv parametar za mjerenje temperature silicijeve pločice kod MOSFET-a i IGBT-a pokazao se napon praga. Usporedba prijelaznih toplinskih impedancija dobivenih na temelju odziva zagrijavanja i odziva hlađenja pokazuje da se kod učinskih komponenata s efektom polja mjerenje prijelazne toplinske impedancije može znatno pojednostavniti, jer je opravdano mjerenje provoditi odzivom hlađenja. Pokazano je kako se iz odziva zagrijavanja može dobiti krivulja aktivne površine vođenja silicijeve pločice. Proučavanjem oblika krivulje aktivne površine, može se izvući zaključak o ravnomjernosti prostorne raspodjele gubitaka u silicijevoj pločici. Uočena je velika razlika u iznosu prijelazne toplinske impedancije dobivene uz stvaranje gubitaka u području potpunog vođenja u odnosu na prijelaznu toplinsku impedanciju dobivenu uz stvaranje gubitaka u aktivnom području rada koja je većeg iznosa i do 30%. Proizvođači poluvodičkih komponenata u katalozima uopće ne opisuju način mjerenja prijelazne toplinske impedancije. Mogućnost modeliranja toplinskog sustava poluvodičke komponente električkom nadomjesnom shemom omogućava simulaciju temperature silicijeve pločice u pogonskim uvjetima pomoću uobičajenih simulatora električkih sklopova. Točnost postupka simulacije temperature silicijeve pločice provjerena je usporedbom rezultata simulacije i mjerenja temperature silicijeve pločice na učinskom tranzistoru s efektom polja s integriranim temperaturnim osjetilom. Dobivena je odlična podudarnost rezultata, što ukazuje na opravdanost takvog načina modeliranja toplinskog sustava poluvodičke komponente. Istraživanja nisu provedena za kratkotrajna oprerećenja poluvodičkih komponenta impulsima trajanja kraćeg od stotinjak ms, no predložen je modificirani električki nadomjesni model toplinskog sustava poluvodičke komponente, koji ukazuje na uspješno rješavanje i takvih problema. Na žalost, proizvođači poluvodičkih komponenata ne daju dovoljno točne podatke o prijelaznoj toplinskoj impedanciji, tako da simulacija temperature silicijeve pločice, provedena na temelju kataloških podataka, nije dovoljno pouzdana.

prijelazna toplinska impedancija; mjerenje temperature silicijeve pločice; MOSFET; IGBT; modeliranje toplinskog sustava poluvodičkog ventila; simulacija temperature silicijeve pločice

nije evidentirano