On the effect of parameter spread of direct current-voltage characteristic of power transistors on temperature of semiconductor structure

Abstract

The article presents the measurement results of the parameters of the direct current- voltage characteristics in a series of 50 IGBT transistors of the same name. The histograms of parameter spread on samples at 20 °C and 100 °C are included. Bу means of mathematical calculations the temperature of the semiconductor structure of each transistor of the series was predicted. The conclusions about the effect of the parameter spread on the semiconductor temperature were made.

Full Text

Любая, даже самая совершенная технология не обеспечивает полной идентичности характеристик изделий. В некоторых случаях нет необходимости в такой идентичности. Но по ряду изделий, к числу которых относятся силовые транзисторы, значительный разброс параметров может привести к существенному снижению их надежностных показателей. Так, принято считать, что повышение температуры полупроводниковой структуры силовых приборов на каждые двадцать градусов снижает их надежность в два раза [1]. Поэтому при комплектовании транзисторных модулей преобразователей электрической энергии необходимо стремиться к обеспечению примерно равного теплового режима для всех транзисторов.

Критическим параметром транзисторов является предельно допустимая температура их полупроводникового элемента. Для большинства современных IGBT транзисторов она составляет 150 ºС. Она зависит от параметров U0, Rd прямой вольт-амперной характеристики (ПВАХ) транзистора, величины тока нагрузки, теплового сопротивления прибора и температуры охладителя, на котором установлен транзистор. Эта зависимость записывается следующим образом:

где Tpn – температура структуры, ºС; T_K – температура корпуса, ºС; P – мощность потерь в транзисторе, Вт; RT  – тепловое сопротивление транзистора, ºС/Вт.

Мощность потерь в транзисторе зависит от среднего значения протекающего тока и параметров его ПВАХ:

.

Иногда пользуются формулой:

Где

Для того, чтобы выяснить, насколько может быть велик разброс температур транзисторов одной партии в зависимости от различия их ПВАХ был проведен эксперимент на партии из 50 IGBT транзисторов IRG4PH50 производства International Rectifier с номинальным напряжением 1200 В и током 45 А. Для каждого транзистора снимались вольт- амперные характеристики при 20 ºС и 100 ºС, напряжении UЗЭ = 14 В. Данные обрабатывались с использованием математических программ [2].

Характерный вид этих зависимостей для одного транзистора отображен на рис. 1а. На рис. 1б показана аппроксимированная методом наименьших квадратов линейная ПВАХ для оценки величин U₀ и Rd.

Из рисунков следует, что характеристики при 20 ºС и 100 ºС заметно отличаются. Видна точка инверсии, где температурный коэффициент напряжения меняет знак с отрицательного на положительный.

На рис.2 приведены гистограммы распределений измеренных параметров U₀ и Rd, ΔU и температурного коэффициента напряжения (ТКН). Из этих гистограмм следует, что их огибающая при увеличении количества измерений должна приближаться к функции нормального закона Гаусса.

В табл. 1 приведены приближенные количественные параметры этих функций: математическое ожидание и дисперсия. Эти данные сами по себе еще не характеризуют степень нагрева транзисторов. Для получения ответа необходимо в соответствии с выражением (1) знать мощность потерь в транзисторе при протекании заданного тока и тепловое сопротивление каждого транзистора [3].

Рис. 1. Выходные вольт-амперные характеристики транзисторов IRG4PH50 (а) и построения для определения параметров (б).

Мощность потерь при токе IK = 30 А была оценена по выражению (2), а среднее значение теплового сопротивления для данных транзисторов, полученное из справочных материалов, составляет:

Рис. 2. Гистограммы распределений параметров транзисторов, измеренных по вольт-амперным характеристикам, и их огибающие.

Таблица 1

Параметр	U0 20 ºС	Rd 20 ºС	U0 100 ºС	Rd 100 ºС	ΔU	ТКН
M[X]	1,406	41,5	1,216	50,5	0,202	-2,1
D[X]	0,0023	0,00188	0,001	0,0031	0,0045	1,2∙10-4

На рис. 3 приведены расчетные гистограммы для мощности потерь и температуры перегрева полупроводниковой структуры относительно температуры охладителя. Математические ожидания этих величин и дисперсии соответственно равны:

Рис. 3. Гистограммы распределений P и Tpn транзисторов и их огибающие.

Можно предположить, что при наличии информации о величине R_th каждого транзистора параметры гистограммы для T_pn могут изменяться в сторону увеличения дисперсии.

Выводы.

Полученные результаты позволяют сделать выводы не только по степени стабильности технологического процесса изготовления транзисторов, но и по отбору транзисторов для комплектования преобразовательных устройств [4], в том числе и при их групповом соединении.