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Auslegen von IGBTs – thermische Messung oder Simulation?

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Des Weiteren beinhalten solche Simulationswerkzeuge auch die Berechnung des Energieaustausches via Wärmestrahlung. Zum einen im infraroten Spektrum, um erwärmte Oberflächen mit kühleren Körpern Wärme austauschen zu lassen (eine automatische Sichtfaktorenberechnung, d.h. auch die Berechnung von Abschattungen ist Standard), zum anderen aber auch im sichtbaren Bereich, um speziell die Aufwärmung durch die Sonneneinstrahlung (z.B. an Solarumrichtern) einzubeziehen.

Konzentrieren wir uns auf die Konzeptphase und die Möglichkeiten einer frühzeitigen Temperatureinschätzung. Meist liegen zu diesem Zeitpunkt noch keine genauen Angaben zum zukünftig eingesetzten IGBT vor. Man bedient sich hier eines sehr einfachen Ersatzmodells aus drei Einzelteilen (Bild 1) – der Anbindungsfläche an den Kühlkörper, einer virtuellen Verlustleistungsquelle im IGBT und dem Frame inklusive Verguss, welcher die Wärmeleitung in Richtung Kühlsenke forciert.

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Einfaches Ersatzmodell für die IGBT-Kühlung

Durch dieses einfache Ersatzmodell kann ein Kühlsystem schon relativ genau ausgelegt werden. Man konzentriert sich hier nicht auf die Sperrschichttemperatur, sondern legt das Kühlkonzept anhand der Kontakttemperatur zwischen IGBT und Kühlkörper aus. Genauigkeiten sind hier immer innerhalb einer Toleranz von ca. 3 bis 7 K zur späteren Messung erreichbar (Bild 2) – und dies zu einem so frühen Stadium. Somit steht einer späteren Handrechnung zur erwarteten Sperrschichttemperatur durch die im Datenblatt angegebenen inneren thermischen Widerstände nichts im Wege.

Ist der IGBT-Baustein ausgewählt, müssen über das Datenblatt hinaus Geometrie und Materialangaben beim Hersteller erfragt werden. Sobald hier eine Geheimhaltungserklärung unterschrieben wurde, sollte dieser Unterstützung nichts im Wege stehen. Aber auch wir wissen, dass nicht jeder Hersteller so kooperationsbereit ist.

In diesem Fall standen uns die Daten zur Verfügung und das Ersatzmodell konnte detailliert aufgebaut werden.

In diesem Beispiel wurde das Detailmodell, wie vorher schon das Ersatzmodell, mit einer Gesamtverlustleistung von 243 W belastet. Des Weiteren wurden nun diese Leistungen der Schaltung entsprechend auf drei der sechs Transistoren (je 70 W) und drei der sechs Dioden (12 W) verteilt.

Die Überhitzungsgefahr liegt im Detail

Nach einem Simulationsdurchlauf erhielten wir die in Tabelle 1 aufgeführten Chiptemperaturen. Die maximal simulierte Chiptemperatur liegt in diesem Beispiel bei 155,2 °C bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C. Da das Datenblatt eine maximal zugelassene Chiptemperatur von 150 °C auswies, zeigte die Simulation, dass dieses System mehr Kühlleistung benötigt.

Unternehmen, welche keine 3-D-Simulation einsetzen, werden zu solch einem frühen Entwicklungsstadium auf diese Gefahr noch nicht hingewiesen.

Das gleiche System als Prototyp aufgebaut und vermessen, ergab laut internem Messfühler im IGBT (NTC genannt) eine maximale Temperatur von 95 °C.

Der Prototyp würde grünes Licht erhalten – es sei denn, dem Entwickler wäre aufgefallen, dass die maximale Kontakttemperatur unter dem IGBT höher gemessen wurde als der interne Messfühler im IGBT wiedergab. Wie kann das sein?

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