Suchen

Leistungshalbleiter: Thermische Situation richtig beurteilen

| Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Martin Schulz / Gerd Kucera

Zur Auslegung leistungselektronischer Geräte ist die genaue Kenntnis der thermischen Situation der Leistungshalbleiter unumgänglich. Doch die Bestimmung ist häufig mit mehr Tücken behaftet als erwartet.

Firmen zum Thema

Bild 1: Beispiel eines Hochleistungshalbleiters; Datenblattwerte geben einen ersten Hinweis darauf, wie hoch die Schaltverluste in der Applikation sind. Sie zeigen aber auch die thermische Abhängigkeit.
Bild 1: Beispiel eines Hochleistungshalbleiters; Datenblattwerte geben einen ersten Hinweis darauf, wie hoch die Schaltverluste in der Applikation sind. Sie zeigen aber auch die thermische Abhängigkeit.
(Bild: Infineon )

Die Chip-Temperatur eines Halbleiters ergibt sich aus den am Silizium entstehenden Verlusten und der Kette an thermischen Widerständen, über die die resultierende Wärme abfließt. Es gilt der scheinbar einfache lineare Zusammenhang Tvj=Pv•(Rth1+Rth2+…+Rthn). Sind die Materialparameter der Kühlkette bekannt und die Rth-Werte genau bestimmt, dann steckt der Detailteufel noch immer in der Verlustleistung, die sich aus den statischen Verlusten durch Stromfluss und den dynamischen Verlusten durch Schalthandlungen ergeben.

Auch dieser Zusammenhang erscheint zunächst überschaubar, denn im Datenblatt eines Halbleiters finden sich die entsprechenden Angaben als Zahlenwert oder Diagramm entsprechender Parameter wieder. In Bild 2 sind exemplarisch die Angaben zu sehen, die im Datenblatt eines Hochleistungshalbleiters (Bild 1) zu den Schaltverlusten enthalten sind.

Glauben: das Fürwahrhalten ohne methodische Begründung

Die Datenblattwerte geben einen guten ersten Hinweis darauf, wie hoch die Schaltverluste in der Applikation sind. Sie zeigen aber auch die thermische Abhängigkeit. Für eine genaue Bestimmung ist also das Wissen über die Chiptemperatur erforderlich. Die zusätzlichen Angaben zu Testbedingungen zeigen außerdem, dass die Schaltverluste an weitere Parameter gebunden sind, darunter die Schaltgeschwindigkeiten di/dt beim Einschalten und du/dt beim Abschaltvorgang.

Diese Schaltgeschwindigkeiten sind von der Streuinduktivität Ls des Aufbaus ebenso abhängig wie vom verwendeten Gate-Treiber und dem hier eingesetzten Gate-Widerstand. Die erreichten Schaltverluste des Leistungshalbleiters gelten zudem für das Ein- und Ausschalten des Nennstromes, im Beispiel Ic=450 A, getrieben von der halben Sperrspannung VCE, hier 600 V. Eine unreflektierte Verwendung dieser Zahlenwerte ohne Interpolation führt auf ein konservatives Design, da die bestimmten Verluste zu hoch ausfallen. Ein konservatives Design zeichnet sich zwar durch eine hohe Lebensdauer aus, führt aber möglicherweise zu höheren Systemkosten.

Schätzen: vages Bestimmen durch Augenscheinnahme

Statt davon auszugehen, dass der Datenblattwert eine stets gültige Konstante ist, lässt sich eine genauere Auskunft erzielen, indem die tatsächlichen Gegebenheiten der Applikation in die Betrachtungen einfließen. Eine Skalierung der Schaltverluste mit dem Mittelwert des in der Applikation üblichen Stromes ist ein erster Schritt; die gleiche Linearisierung bei der DC-Spannung verbessert die Aussage weiter.

In Bild 3 sind Strom- und Spannungsverlauf eines typischen Einschaltvorgangs zu sehen. Ein in weiten Bereichen linearer Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Schaltverlusten ergibt sich wegen der konstanten Schaltgeschwindigkeiten. Die Schaltverluste entstehen in der Überlappungszone von Strom und Spannung, diese wächst wenn der Strom höher wird ebenso wie bei höherer Spannung. Die Näherung mit einem Strom-Mittelwert zieht aber nicht die tatsächlich bei jeder Schalthandlung entstehenden Verluste in Betracht. Ebenso wenig sind die aus dem Aufbau resultierenden Einflüsse berücksichtigt.

Simulieren: der erste Schritt zu einer Modellfindung

Der wiederkehrende Ansatz zur möglichst genauen Voraussage ist die Simulation. Sind die entscheidenden Parameter hinreichend genau bekannt, dann kann mit passender Software eine Bestimmung der zu erwartenden Temperatur recht genau geschehen. Vorsicht ist immer dann geboten, wenn für das zu simulierende System keine Möglichkeit besteht, es mit realen Messdaten abzugleichen. Häufig besteht der Bedarf, erste Simulationen zu optimieren, weil bereits kleine Einflüsse an der Hardware zu unerwartet großen Änderungen am System führen.

Bild 3: Typischer Einschaltvorgang eines IGBT.
Bild 3: Typischer Einschaltvorgang eines IGBT.
(Bild: Infineon )

Parasitäre Bauteile wie die Streuinduktivitäten im Ansteuerkreis eines Halbleiters sind oft nicht hinreichend genau bekannt, das Schaltverhalten in der realen Hardware – und damit die Verlustleistung – weicht von der Simulation ab. Im ungünstigen Fall zeigt eine Simulation bezüglich der Chip-Temperatur ein hinreichend niedriges Ergebnis, im realen Aufbau entstehen aber thermische Probleme, deren Behebung sich als zeit- und kostenintensiv erweisen kann.

Messen: quantitative Aussage über eine physikalische Größe

Um eine Simulation mit genauen Werten füttern zu können ist es notwendig, möglichst viele der dominanten Einflüsse des Aufbaus mit einzufügen. Neben den Streuinduktivitäten von DC- und Ansteuerkreisen sind es oft weitere Gegebenheiten aus dem Aufbau von Gate-Treibern und dem Layout von Platinen, die zu berücksichtigen sind. Obwohl es auch für die Extraktion dieser Parameter entsprechende Software-Pakete gibt, ist die Messung eine sichere und schnelle sowie zuverlässige Methode, um die Schaltverluste eines Halbleiters zu bestimmen.

Die Messung gestattet die genaue Einstellung der Temperatur beispielsweise über Heizelemente und erlaubt es, unter kontrollierten Bedingungen die für eine weitere Simulation notwendigen Grundlagen zu ermitteln. Findet die Messung im später verwendeten Aufbau statt, sind automatisch alle Parameter einbezogen, die aus dem Layout, den verwendeten Komponenten und dem gewählten Halbleiter hervorgehen.

Bild 4: Verifikation mittels Thermographie. Infrarotmessung an in Reihe geschalteten Halbleitern
Bild 4: Verifikation mittels Thermographie. Infrarotmessung an in Reihe geschalteten Halbleitern
(Bild: Infineon )

Wissen: die Quelle von Fakten, Erkenntnissen und Regeln

Je genauer der Aufbau mit all seinen parasitären Einflüsse bekannt ist, umso eher ist eine belastbare Ermittlung der Verlustleistungen und damit der Chip-Temperatur möglich. Neben der präzisen Kenntnis der Verlustleistung ist ein umfassendes Wissen über die thermische Kopplung erforderlich. Eine ganzheitliche Messung sollte daher nicht nur die Verlustleistung, sondern insbesondere auch die thermische Gesamtsituation enthalten. Hierzu eignen sich bildgebende Verfahren wie die Thermographie besonders gut. Bild 4 stellt eine Infrarotmessung an in Reihe geschalteten Halbleitern dar.

Der Temperaturunterschied von 14 K ergibt sich aus einer unterschiedlich guten thermischen Kopplung. Der einzige Unterschied zwischen den verwendeten Modulen ist das genutzte Wärmeleitmaterial. In dem scheinbar einfachen, linearen Zusammenhang Tvj=Pv•(Rth1+Rth2+…+Rthn) steckt der Fehlerteufel nicht nur in der genauen Bestimmung der Verlustleistung. Gerade wegen des linearen Zusammenhangs ist jeder der beteiligten Parameter von gleich großer Bedeutung.

* Dr. Martin Schulz ist Principal Application Engineer bei Infineon, Warstein.

Artikelfiles und Artikellinks

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 44851395)

Über den Autor

Dr.-Ing. Martin Schulz

Dr.-Ing. Martin Schulz

Principal, APplication Engineering, Infineon Technologies AG