Шумахер У. Полупроводниковая электроника

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 72 из 589 (September 3, 2010, 15:10)

72 3. Силовые полупроводниковые приборы

Рис. 3.15. Сокращение размеров кристалла микросхемы поколения Smart 5.

В результате, в зависимости от заданного значения тока или сопротивления в открытом состоянии, которое определяется стоимостью изготовления, так называемые сильноточные ключи производятся по технологии «кристалл на кристалле» или «кристалл рядом с кристаллом».

На сегодняшний день при сопротивлениях в открытом состоянии 20…50 мОм метод «кристалл на кристалле» является более дешёвым в производстве. При более низких токах существует возможность разместить несколько ключей в одном корпусе. В этом диапазоне токов требуется использование технологии со свободно подключаемыми транзисторами, так называемой технологии изготовления интеллектуальных силовых ИС (Smart Power IC).

3.4.4. Интеллектуальные силовые ИС

CD-технология характеризуется довольно низкими топологическими нормами, и по ней нельзя изготовить аналоговые приборы. Указанный пробел заполняется интеллектуальными силовыми технологиями (Smart-Power Technology — SPT), благодаря которым появляется возможность разработки ИС с мощными выходными каскадами, так называемых силовых ИС (Power IC — PIC).

В зависимости от технологического решения, набор компонентов ИС может быть значительно более широким, чем минимальный набор элементов, показанный на

Рис. 3.16.

При помощи данной технологии можно получать свободно соединяемые мощные транзисторы. Путь протекания тока показан на Рис. 3.17. Сначала ток протекает вертикально вниз в скрытый слой интегрального транзистора. Скрытый слой проводит ток в сторону расположенного выше соединения со стоком. Сопротивление вертикального участка тока, текущего к поверх-

n-p-n-

p-канальн. n-канальн.

p-n-p-

Высоковольтный

DMOS

МОП-

МОП-

p-канальный

транзистор транзистор транзистор

транзистор МОП-транзистор

LLD

D S

G S

C E B

S GD

S GD

B C E

C S G D

A K A

p–

Рис. 3.16. Cемейство приборов, изготавливаемых по технологии SPT.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 73 из 589 (September 3, 2010, 15:10)

3.4. Технология изготовления полупроводниковых пластин (начальный этап проекта) 73

Сток Исток

Затвор

Исток

Сток

p+

p+

p–

Потенциал земли

Рис. 3.17. Путь протекания тока и изоляция от подложки в мощных приборах, изготовленных по технологии SPT.

ности, мал=о благодаря вертикальной n+-об- ласти, что позволяет изготовить изолированные силовые выводы стока на поверхности кристалла. Однако за это приходится платить значительно более высоким сопротивлением в открытом состоянии.

Следовательно, применение SPT-прибо- ров целесообразно для средних уровней тока. Для изолирования стока транзистора от остальной схемы используется подложка p- типа, которая при подключении к земле удерживает p-n-переход между стоком и подложкой в закрытом состоянии. Легко заметить, что p-n-переход между областью стока и карманами элементов будет оста-

ваться в закрытом состоянии, только если p-подложка будет всегда иметь наименьший потенциал в схеме.

Для охлаждения обратная сторона кристалла в приборе может иметь соединение с землёй. В этом случае не требуется дополнительных изолирующих экранов. Большое многообразие дополнительных опций представлено на Рис. 3.18.

Помимо рассмотренных верхних и нижних ключей, по данной технологии может быть реализована полумостовая схема, состоящая из двух последовательно соединённых быстродействующих МОП-транзисторов.

Кроме того, существует возможность изготавливать практически любую из требуемых комбинаций аналоговых и цифровых схем. Типичным примером могут служить микросхема CAN-трансивера TLE6263 с большим количеством прецизионных аналоговых схем и цифровым интерфейсом управления (SPI) и TLE6288 — многоканальный нижний ключ с множеством дополнительных функций.

Компания Infineon производит SPTприборы уже на протяжении 20 лет, на сегодняшний день используются технологии пятого поколения, SPT5. На Рис. 3.19 показано, как совершенствовались наиболее важные параметры — Ron и топологические нормы.

Верхний драйвер	VS

Нагрузка

OUTH1…6

Нагрузка

Верхний и нижний ключ с внутренней цепью обратного тока для плавного отключения

Полумост

M

M

OUTL1…6

Нагрузка

Нагрузка

Мостовой драйвер управления двигателем:

двигатели соединены в цепь

Нижний драйвер

GND

(это позволяет отказаться от использования

одного полумостового драйвера)

Верхний ключ	Нижний ключ
с внешней цепью обратного тока	с внешней цепью обратного тока
для плавного отключения	для быстрого отключения

Рис. 3.18. Конфигурация дополнительных устройств для ключей, полумостовых и мостовых схем.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 74 из 589 (September 3, 2010, 15:10)

74 3. Силовые полупроводниковые приборы

Технология ДМОП и IGBT

КМОП-	технология
Биполярная	технология

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

00

01

02

03...

Ron

1 Ом/мм2

0.2 Ом/мм2

Размер элемента, мкм

(5.0)

(<1)

0.5

SIPMOS

FET 1 FET 2

FET 3

m-FET

S-FET

S-FET2(OptiMOS)

SFET3

(Trench)

SIP 5

SIP 2

IGBT

IGBT 1

IGBT 2

IGBT 3

CD

m-Smart

S-Smart1

S-Smart2 S-Smart5

Логические

C9.....C11

BCD

SPT 1/2

SPT 3

SPT 4

SPT 5

SPT 6

Аналоговые A 4

A 5

A 6

Силовые

DOPL 1

DOPL 2

DOPL 3

Рис. 3.19. Развитие интеллектуальных силовых полупроводниковых технологий.

Также можно увидеть, как технологии			Возрастание сложности	электронных
изготовления силовых МОП- (вверху) и би-			схем предъявляет определённые требова-
полярных приборов (внизу) объединились с			ния к функциональному	распределению
КМОП-технологиями, в результате чего об-			площади кристалла, изготавливаемого по
разовалась SPT-технология.			современным технологиям. Так, в стандарт-
Основные достоинства SPT-технологии			ной SPT-микросхеме 30% площади крис-
представлены на	обобщённой	схеме	талла занимают силовые элементы, около
(Рис. 3.20). На ней показаны ИС третьего,			40% — аналоговые схемы, а оставшиеся
четвертого и пятого поколения SPT со схо-			30% — цифровые. Если сложность каждой
жим набором функций. Из рисунка можно			из этих частей возрастёт ещё больше, то
увидеть, что более новые ИС при том же			размер кристалла увеличится втрое. Наи-
размере обладают	значительно	большей	большую долю в этом увеличении будет
функциональностью.			иметь цифровая часть, которая увеличится
			в 6 раз. Чтобы скомпенсировать указанное

Мы можем предоставить нашим клиентам микросхемы с постоянно увеличивающимися функциональными возможностями и уменьшающимися размерами

SPT 3		SPT 4			SPT 5
	Более высокая			Значительно
	функциональность			более высокая
				функциональность

DMOS		Логические	Аналоговые
		элементы	элементы

Рис. 3.20. Преимущества высокой степени интеграции.

		INFSEMI_2-Text.fm, стр. 75 из 589 (September 3, 2010, 15:10)
3.4. Технология изготовления полупроводниковых пластин (начальный этап проекта)				75
	Блок-схема электронного блока управления
	Стабилизатор		Исполнительное
	напряжения	Память	устройство
	и сторожевой		высокой
	таймер		мощности
	Трансивер		Исполнительное
		Микро-	устройство
	шины	контроллер	средней
Цифровой			мощности
Аналоговый
Силовой	Диагностический	Интерфейс	АЦП
	интерфейс	датчиков
Рис. 3.21. Функциональные блоки электронного блока управления.

увеличение, опережающими темпами нужно уменьшать топологические нормы в технологиях следующего поколения. Соответствующее распределение площади микросхемы будет таким: 46% — силовые элементы, 34% — аналоговые схемы и 20% — цифровые. Таким образом, будет существовать дальнейший потенциал для интеграции большего количества как логических, так и системных функций, что реализуется в интеллектуальных ИС систем питания.

Интеллектуальные ИС систем питания

Увеличение степени интеграции интеллектуальных силовых микросхем привело к появлению интеллектуальных ИС систем питания. Для определения оптимальной степени интеграции в электронных блоках управления, необходимо учитывать параметры входящих в их состав функциональ-

ных блоков. На Рис. 3.21 представлены функциональные блоки типового электронного блока управления. Здесь можно выделить логические (цифровые), аналоговые и силовые блоки.

Требования по току, напряжению и температуре определяют, какие дополнительные функции и по какой технологии могут быть реализованы, а также какие типы корпусов должны использоваться. В частности, из Рис. 3.22 видно, что интерфейс между контроллером и окружающими его высоковольтными силовыми полупроводниковыми приборами чрезвычайно сложен и интересен.

В данном случае нахождение техникоэкономического оптимума требует очень тесного взаимодействия, например, между автопроизводителем, его поставщиками и производителем электроники. Как постав-

VBatt	Источник		Дополнительная
	питания		логика		Силовой
			Память		каскад 1
	Защита
		ОЗУ	MMU	Память
				программ	Силовой
	Входы/
			Микро-		каскад 2
	выходы	АЦП		Cap-Com
			контроллер
		ЦАП	Управле-	ШИМ
			ние
	Входы и				Силовой
	питание		Трансивер шины		каскад 3
	датчиков

Шины

Рис. 3.22. Разбиение электронного блока управления на интеллекуальные функциональные блоки.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 76 из 589 (September 3, 2010, 15:10)

76 3. Силовые полупроводниковые приборы

						Силовые
Тенденция					Температура	приборы
					>>>
				Ожидаемая		Эффективность >>>
				стоимость >>>
				12 В => 42 В			Характеристики >>>
			Ток >>>
			Мощность		<< EMC	<< Температура
			>>>			Микроконтроллеры и память
				5 В => 3.3 В => 1.8 В
			2000	Разрыв увеличивается			2010

Рис. 3.23. Различные требования, предъявляемые к силовым и логическим устройствам.

щик широкого ассортимента продукции, компания Infineon имеет полный набор оригинальных методов (know-how) для указанного процесса оптимизации системы. Недаром Infineon является первой инстанцией для обращения, когда дело касается системных решений и их «интеллектуального разбиения на части».

3.4.5. Перспективы и тенденции

Требования, которым должны удовлетворять технологии будущего, несомненно определяются характеристиками, которые улучшаются, в некоторых случаях значительно, совместно с более высокой эффективностью. Это подразумевает, с одной сто-

роны, более высокие вычислительные мощности контроллеров, а с другой — потребность в более совершенных (с более низким сопротивлением в открытом состоянии) силовых полупроводниковых ключах. На Рис. 3.23 представлены тенденции изменения отдельных параметров силовых приборов и микроконтроллеров (температура, электромагнитная совместимость, ток и напряжение).

Очевидно, что требования развиваются в различных направлениях.

Аналитический обзор этой характерной ситуации приведён на Рис. 3.24. Очевидно, что в зависимости от сочетания характеристик переключения и тока возможны раз-

						0.1 A	1 A	10 A		100 A
					Мощность
	Однокристальные							LTR
	Многокристальные							Smart		Smart + LTR
						SPT				SPT + LTR
					HVCMOS			HVCMOS +
								LTR/Smart
			ACMOS
					Системная интеграция
32-		16-	8-			Шинные		Адресация	Информация		Защита,
	битные	битные			битные	системы,			о состоянии,		генератор
	МК	МК			МК	ЭСППЗУ				ШИМ	подкачки

зарядов

Рис. 3.24. Сравнение технологий изготовления полупроводниковых приборов по току и количеству логических функций.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 77 из 589 (September 3, 2010, 15:10)

3.4. Технология изготовления полупроводниковых пластин (начальный этап проекта) 77

«Электронный мускул» на примере бесщёточного электропривода постоянного тока

Силовые ASSP	Микро-		Блок
	контроллер				Обратная связь
+Vbat
			обработки
Блок питания			сигналов
CAN
CAN-			Трехфазный
трансивер			драйвер		M
			с диагности-	3×	3-фазный
			ческими
			функциями
Супервизор					Обозначения:
				Выходные каскады
				на базе OPTIMOS-	Силовые ASSP
	Блок контроля	ИОН	Схемы	транзисторов	Блок питания
SPI	напряжения	Смещение;	развертки и		Блок контроля
	питания	Включение;	управления
	и температуры	Сброс			и сброса
				Электронный	Связь
				блок управления
					Обработка
					Силовой привод

Рис. 3.25. Устройство будущего — «электронный мускул».

личные технологические варианты, в некоторых случаях одинаково перспективные.

Это делает необходимым наличие глубоких знаний в технологической области, а также возможность предложить полный набор данных технологий. Только тогда можно определить и использовать наиболее предпочтительную технологию в каждом отдельном случае.

Необходимость оснащения сложных систем всеобъемлющими диагностическими функциями становиться понятной, если рассмотреть возможность выхода из строя всей системы в целом. Таким образом, при запуске двигателя современного автомобиля высшего класса требуется больше вычислительных мощностей, чем это было необходимо для осуществления полёта на Луну. Именно поэтому для технологий будущего будут требоваться значительно б=ольшие логические мощности.

Другим важным фактором является создание интеллектуальных сетей и связанная с ними децентрализация функций управления. Это ещё одна движущая сила после так называемой мехатронизации, т.е. полной интеграции электроники в механическую систему. Соответствующим примером можно считать «электронный мускул», который развивает механическое усилие. Это может быть соленоид или электродвигатель. На-

пример, в электродвигатель можно встроить контроллер и, таким образом, превратить его в интеллектуальный привод, как показано на Рис. 3.25. В данном случае передача команд управления в одном направлении и данных диагностики в обратном будет осуществляться по последовательному однопроводному интерфейсу. Всё, что требуется дополнительно в данном случае, — это два питающих провода (плюс и минус). В частности, в автомобильной электронике такой тип передачи данных имеет очень важное значение. Здесь камнем преткновения часто являются дополнительные затраты на локальную интеллектуальность.

Следующим шагом может быть использование уже применяющейся в промышленной электронике передачи управляющих сигналов по проводам источника питания.

Если не учитывать аналоговые функции, то одной из технологий будущего будет объединение силовых ключей с высоковольтными КМОП-приборами. В частности, такой подход будет применяться в системах малой сложности, например в мехатронных системах, упомянутых ранее. Однако высокие и средние вычислительные мощности на протяжении обозримого будущего останутся прерогативой исключительно КМОП-приборов.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 78 из 589 (September 3, 2010, 15:10)

78 3. Силовые полупроводниковые приборы

	3.5. Технологии корпусирования				Рис. 3.26 показаны корпуса двух типов: P-
	Технология корпусирования (back-end —				DSO-28 (имеет три отдельных кристалло-
					держателя с угловыми выводами в качестве
	конечный этап проекта) играет очень важ-				теплоотводов) и P-TO263-15.
	ную роль при изготовлении силовых полу-
	проводниковых приборов. Одна из при-
	чин — активный характер потерь мощности
	и высокие динамические нагрузки при ава-
	рийных ситуациях. Таким образом, потери
	мощности в МОП-транзисторе при нор-
	мальном режиме работы, лежащие в диапа-
	зоне от одного до двух ватт, могут возрасти				Рис. 3.26. Отличие между корпусом SO с улуч-
	более чем на три порядка в случае коротко-
	го замыкания. Достаточно легко понять,				шенным теплоотводом (слева) и корпусом
	что в этом случае все элементы (кристалл,				с теплоотводящей пластиной (справа).
	припой, теплоотвод) испытывают предель-				Всё чаще многих пользователей начина-
	ные тепловые нагрузки.
	Второй причиной является то, что прово-				ет интересовать вопрос о размере охлажда-
	лочные соединения проводят большие токи				ющей поверхности. Особенно при исполь-
	или к ним приложено высокое напряжение.				зовании современных SMD-приборов
	Например, если рассчитать ток, протекаю-				(компоненты, предназначенные для поверх-
	щий в обычном кабеле с поперечным сече-				ностного монтажа). Стремление к переходу
	нием 0.75 мм2 при такой же плотности тока,				от корпусов, устанавливаемых в отверстия,
	как и в проволочных проводниках, то он бу-				к дешёвым SMD-корпусам продиктовано
	дет составлять порядка 1000 А. А это означа-				достижениями в технологии. Во многих
	ет, что материалы будут работать на пределе				случаях это позволяет использовать «крем-
	своих физических возможностей. Результа-				ний вместо теплоотвода» совместно с теп-
	том достижений в МОП-технологии стала				лоотводом с печатной платы.
	возможность изготовления		приборов	со	При расчёте печатной платы в качестве
	сверхнизким внутренним сопротивлением.				охлаждающей поверхности следует прини-
	Именно поэтому на первый план при учёте				мать во внимание множество факторов. Бо-
	потерь мощности выходят внутренние теп-				лее ранние решения подразумевали уста-
	ловые сопротивления корпуса (проволоч-				новку (при помощи винтов или скоб) ради-
	ные соединения, соединения кристалл —				атора на корпус силового прибора. В этом
	теплоотвод и сам теплоотвод).				случае тепловое сопротивление может быть
	3.5.1. Классификация корпусов				найдено относительно просто, из геомет-
					рии радиатора. С другой стороны, при ис-
	полупроводниковых приборов				пользовании SMD-компонентов расчёт
	В общем случае существуют две различ-				размеров становится более сложным, пос-
					кольку необходимо анализировать тепло-
	ные группы корпусов. Первая группа в ка-
					проводящий путь	кристалл — выводная
	честве теплоотвода использует кристалло-
					рамка — контакт	корпуса — посадочное
	держатель (площадку на выводной рамке),
					место — материалы печатной платы (мате-
	который выведен наружу и может быть на-
					риал основания,	толщина слоя меди) —
	прямую припаян к плате или радиатору.
					объём печатной платы — окружающая сре-
	Тепловое сопротивление такого корпуса
					да. Возможные способы организации ох-
	между кристаллом и охлаждающей поверх-
					лаждения SMD-компонентов схематичес-
	ностью, обозначаемое Rthj-c		(кристалл	—
					ки представлены на Рис. 3.27.
	корпус), очень мало.
					Поскольку в данном случае разводка пе-
	Вторая группа имеет выводную рамку с
					чатной платы оказывает существенное вли-
	улучшенным теплоотводом. В этих корпу-
					яние на результат расчётов, необходимо ис-
	сах металлические	перемычки соединяют
					пользовать новый метод расчёта. Далее мы
	кристаллодержатель	с выводами корпуса.
					поясним этапы этого метода, используя в
	По внешнему виду данный тип корпуса не-

	возможно отличить от обычных корпусов,	каждом случае показательный пример из
		групп корпусов, упомянутых ранее (корпус
	поскольку пластик скрывает эти детали. На

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 79 из 589 (September 3, 2010, 15:10)

3.5. Технологии корпусирования 79

Максимальное заполнение медью всех доступных слоёв

Охлаждающие пластины для установки компонентов заменяют медные площадки, к которым затруднен доступ

Теплопроводящее соединение с элементами, имеющими большую площадь поверхности и высокое рассеяние тепла (например с вилками соединителей)

Радиатор

Адгезионное соединение печатной платы с радиатором (изолированное соединение)

Радиатор

Соединение с радиатором при помощи «тепловых переходных отверстий» (неизолированное соединение)

Принудительное охлаждение

Рис. 3.27. Охлаждение SMD-корпусов ИС.

с теплоотводящей пластиной и корпус с улучшенным теплоотводом).

3.5.2.Статические характеристики корпусов силовых приборов

Для того чтобы пояснить статические тепловые характеристики силовых ИС (PIC), на Рис. 3.28 представлена внутренняя структура силовой ИС, установленной на печатную плату или охладитель. Силовая ИС состоит из кристалла, закреплённого на кристаллодержателе при помощи металлического припоя или контактного клея. Пе-

чатная плата состоит из материала с высокой проводимостью, например меди, и может иметь толщину несколько миллиметров.

Соответствующая эквивалентная тепловая схема показана на Рис. 3.29. В этой схеме используются приведённые ниже аналоги электрических переменных.

Мощность тепловых потерь PV у поверхности кристалла заменяется источником тока. Тепловые сопротивления заменяются электрическими сопротивлениями. Эквивалентная электрическая схема по существу представляет собой последовательное со-

	Tj								Активная область кристалла
									Полимерный материал
									Кристалл
									Адгезионный компаунд или эвтектика
									(посадка кристалла)
									Выводная рамка
Tc									Припой
									Печатная плата

Рис. 3.28. Внутренняя структура силовой ИС.

	Rth	Полимерный материал
		Rth	Rth	Rth	Rth	Rth
		Кристалл	Посадка	Выводная	Припой	Радиатор
			кристалла	рамка
PV		Tj	Rthj-c		Tc	Rth	Ta
					устройства

Rthj-a

Рис. 3.29. Упрощенная эквивалентная тепловая схема силовой ИС.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 80 из 589 (September 3, 2010, 15:10)

80 3. Силовые полупроводниковые приборы

Таблица 3.1. Соответствие между тепловыми и электрическими параметрами

Тепловой параметр	Электрический параметр
Температура T [К]	Напряжение V [В]
Тепловой ток P [Вт]	Ток I [А]
Тепловое сопротивление Rth [К/Вт]	Сопротивление R [В/А]
Тепловая ёмкость Cth [Вт с/К]	Ёмкость C [А с/В]

единение тепловых сопротивлений. В первом приближении, сопротивлением пластика корпуса (обозначено пунктирной линией), соединённым параллельно с общей цепью, можно пренебречь. Температура окружающей среды заменяется источником напряжения.

В соответствии с данной аналогией тепловой поток PV = Q/t теперь может быть рассчитан при помощи теплового эквивалента закона Ома:

V = I R.

Соответствующее ему выражение для тепловой цепи

Tj – Ta = PV Rthj-a.

В заключение в Табл. 3.1 показано соответствие между основными электрическими и тепловыми параметрами.

При рассмотрении устройства как единого целого большое значение имеет функция PV = f(Ta). Из выражения, приведённо-

го выше, получаем: PV = –Ta/Rthj-a + Tj/Rthj-a. Полученное выражение является линейно

спадающей функцией с тангенсом угла наклона, равным –1/Rthj-a, пересекающей ось абсцисс в точке Tj.

Запишем аналоги электрических и тепловых параметров:

I ~ PV, R ~ Rth, U ~ T.

Определение параметров Rth, PV и Tj для корпусов силовых полупроводниковых приборов с улучшенным теплоотводом

На Рис. 3.30 показана зависимость PV= f(Ta) для корпуса типа P-DSO-14-4, установленного на печатную плату. Из выражения, приведённого выше, можно определить допустимое значение потерь для любого значения температуры окружающей среды.

Например, если Ta = +85°С, то допустимое значение тепловых потерь будет равняться примерно 0.7 Вт. Точное значение

PV [Вт]

1.63

1.08

0.54

0

Pvo =			Tj	=	150		Вт = 1.63 Вт
					92
		Rthj-a
						Параметр: Tjmax = 150°C
Pv =								Rthj-a = 92 К/Вт
1 Вт								Tamax = 85°C
T = 92°C
						Tamax		Tj

0	50	100	150
		Ta [°C]

Рис. 3.30. Допустимые тепловые потери для корпуса P-DSO-14-4, установленного на печатную плату с площадью охлаждающей поверхности 400 мм2 (как функция от температуры окружающей среды).

можно получить, используя следующее выражение:

PV = (Tj – Tmax)/Rthj-a =

= 65 К/(92 К/Вт) = 0.7 Вт.

Корпуса с теплоотводящей пластиной

В спецификациях на силовые ИС тепловые потери представлены в виде функции от температуры корпуса TC, поскольку производитель не знает конкретных значений тепловых сопротивлений. Как и в предыдущем случае, указанная функция является линейно спадающей. В данном случае тангенс угла наклона равен 1/Rthj. Точка пересечения с осью абсцисс остаётся равной Tj. На Рис. 3.31 представлен пример такой функции для корпуса P-TO252-3-1.

Возникает вопрос, почему максимальное значение PV = 30 Вт остаётся неизменным. Более высокие значения тепловых потерь ограничиваются при помощи встроенных в ИС ограничителей тока. Именно поэтому значение тепловых потерь остаётся постоянным при более низких значениях температуры.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 81 из 589 (September 3, 2010, 15:10)

3.5. Технологии корпусирования 81

	30
[Вт]	20	P	Rthj-c = 4 К/Вт
V
P
			T
	10
	0
	0	50	100	150
			Tc [°C]

Рис. 3.31. Допустимые тепловые потери для корпуса P-TO252-3-1 (как функция от температуры корпуса).

3.5.3.Динамические характеристики мощных корпусов

Тепловая характеристика силовых ИС изменяется, если учитывать динамику воздействия тепла (импульсный режим). Эту характеристику можно выразить через тепловую ёмкость, которая прямо пропорциональна объёму используемого материла V (в см3), его плотности (в г/см3) и коэффициенту теплоёмкости c (в Вт/(г К)):

Cth = c V = m c.

Физический смысл данного выражения состоит в следующем.

Теплоёмкость тела массой m = V равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу для повышения его температуры на 1 К.

Для того чтобы рассчитать количество теплоты, полученное телом при изменении температуры тела на T, мы должны воспользоваться зависимостью накапливаемого заряда от ёмкости. Это выражение выглядит следующим образом:

V C = I t = Q.

Аналогичное выражение для тепловой цепи:

T Cth = P t = Q.

Физический смысл выражений, приведённых выше, следующий.

Сила тока I = Q/t — заряд, протекающий в единицу времени через сечение проводника. Мощность тепловых потерь P — это количество теплоты, испускаемой поверх-

ностью тела в единицу времени. Из вышесказанного следует, что

T = P t .

Cth

Эквивалентная схема замещения тепловой цепи для корпуса P-TO 263-7-3 с учётом тепловых ёмкостей представлена на Рис. 3.32. Тепловые ёмкости, рассчитанные, исходя из свойств материала и его объёма, подключаются параллельно тепловым сопротивлениям.

Кристалл

Радиатор

RthD

RthHS

0.48 K/Вт

0.24 K/Вт

CthD

CthHS

PV

Tcase

3

300

мВт•с/K

мВт•с/K

τD = 1.5 мс

τHS = 70 мс

Рис. 3.32. Упрощённая эквивалентная схема замещения тепловой цепи для корпуса P-TO263-7-3.

При расчёте параметров элементов схемы замещения, для определения соответствующего теплового сопротивления Rth необходимо знать толщину d, площадь поперечного сечения А и теплопроводность L (Вт/м К). Выражение для расчёта теплового сопротивления имеет следующий вид:

	d		К
Rth =					.
	L
		А		Вт

Для расчёта тепловой ёмкости Cth необходимо знать объём V = d A, удельную плотность материала (г/см3) и характеристическую теплоёмкость материала с (Вт/(г К)).

Тогда:

Вт
Сth = m c		.
	К

Динамические тепловые характеристики

По аналогии с электрическими схемами, кривая изменения температуры кристалла может быть сопоставлена с нарастанием напряжения на RC-цепи при питании от импульсного источника тока: