Na rozgrzewkę:
Dobierając tranzystor do aplikacji, możemy spotkać się z wymaganiami, dotyczącymi krótkotrwałych pulsów prądowych. Obliczając straty mocy podczas pracy ciągłej, temperatura złącza jest daleko od granicznych wartości, lecz pozostają pulsy prądowe, których nie jesteśmy pewni. W takiej sytuacji możemy skorzystać z SOA (Self Operation Area), wspominałem o tym w jednym z wpisów, ale co wtedy gdy chcemy oszacować temperaturę złącza dla nieokresowego pulsu. Z pomocą przychodzą nam modele termiczne tranzystorów, które często umieszczają producenci na swoich stronach. Na ich podstawie jesteśmy w stanie oszacować temperaturę złącza, używając na przykład programu LTspice.
Zakres wpisu:
- Model termiczny
- Model termiczny Cauera vs. model termiczny Fostera
- Symulacja
Model termiczny:
Producenci tranzystorów często na swoich stronach umieszczają modele termiczne tranzystorów podawane w postaci sieci rezystorów i kondensatorów. Podawane są najczęściej dwa modele: model Fostera i Cauera. Modele RC są wyznaczane z impedancji termicznej tranzystorów, która to przedstawia zachowanie tranzystora podczas aplikowania pulsów mocy. Impedancja termiczna może być wyznaczona poprzez pomiar strat mocy podczas aplikowania pulsów z różnym czasem trwania. Kiedy puls jest równy bądź dłuższy 1 sekundę osiągany jest stan równowagi termicznej i wtedy należy brać pod uwagę tylko rezystancję termiczną Rth. Impedancja termiczna przykładowego tranzystora została przedstawiona na Rys. 1.
Tak jak wspominałem w stanie ustalonym, należy używać rezystancji termicznej, w przypadku przykładowego tranzystora nie jest to rezystancja Rth_j_a (rezystancja termiczna od złącza do otoczenia), lecz Rth_j_mb, czyli rezystancja termiczna od złącza do wyprowadzenia tranzystora, na którym jest on zamontowany do PCB (mouting base).
Elementy obwodu termicznego możemy porównać z elementami obwodu elektrycznego wykorzystując Tabele 1.
Model termiczny Cauera vs. model termiczny Fostera:
Model Cauera daje fizyczny obraz zachowania komponentu w czasie pracy, ponieważ każdy węzeł ma fizyczne znaczenie i daje dostęp do wewnętrznych struktur półprzewodnika. Podczas tworzenia modelu Cauera niezbędne są informacje o właściwościach każdej warstwy półprzewodnika. Do modelu Cauera możemy dodać zewnętrzne sieci tj. model PCB czy radiatora.
Model Fostera nie ma odzwierciedlenia fizycznego. Dobierany jest w taki sposób, aby odwzorowywał wykres impedancji termicznej Zth podanej w dokumentacji technicznej. Model Fostera nie może być podłączony do zewnętrznych sieci termicznych, radiatora czy modelu PCB. Model Fostera nie potrzebuje szczegółowych informacji o każdej warstwie półprzewodnika, dlatego jest efektywnym narzędziem, na podstawie którego można oszacować temperaturę złącza. Najczęstszą metodą pozyskiwania modelu Fostera jest metoda najmniejszych kwadratów.
Impedancja termiczna modelu Fostera może być przedstawiona za pomocą poniższego wzoru:
Model Fostera może być transformowany do modelu Cauera za pomocą matematycznej transformaty.
Symulacja:
Przed przystąpieniem do symulacji należy obliczyć straty mocy, jakie będą występowały podczas pulsu prądowego:
Najczęściej ze strony producentów można pobrać modele termiczne w postaci netlisty, która wygląda następująco:
Powyższa netlista narysowana w programie LTspice została przedstawiona na Rys. 8:
W symulacji zaaplikowałem 1 puls symulujący udar prądowy o wartości 18W, czasie trwania 0,4 sekundy, a następnie nominalne obciążenie. Wyniki zostały przedstawione na Rys. 9:
Maksymalna temperatura złącza tranzystora BUK9K13-40H może wynosić 175C, więc na podstawie powyższych wyników tranzystor przetrwa udar prądowy oraz prace z nominalnym obciążeniem bez przekroczenia warunków granicznych.
Podsumowanie:
Na podstawie symulacji używając modeli termicznych, jesteśmy w stanie ocenić czy dobrany tranzystor jest odpowiedni do danej aplikacji. Symulacja termiczna może być na przykład wykorzystywana do doboru tranzystora załączającego silnik czy żarówkę halogenową. Podczas załączania jednego jak i drugiego rodzaju obciążenia występuje udar prądowy, na podstawie symulacji jesteśmy w stanie ocenić czy dany tranzystor przetrwa pracę z tego typu obciążeniem.
[1] Dostęp w internecie: https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/BUK9K13-40H.pdf
[2] Dostęp w internecie: https://assets.nexperia.com/documents/application-note/AN11261.pdf
[3] Dostęp w internecie: https://www.hitachi-power-semiconductor-device.co.jp/products/igbt/pdf/thermal_model.pdf
[4] Dostęp w internecie: https://www.nexperia.com/products/automotive-qualified-products-aec-q100-q101/automotive-mosfets/BUK9K13-40H.html