Smarta konstruktionsverktyg på Internet ger tillgång till sofistikerade termiska analyser och frekvensanalyser. Tillsammans med de senaste effekthalvledarteknologierna kan det ge lösningar med mindre storlek, lägre kostnad samt högre verkningsgrad och bättre tillförlitlighet.

På senare år har produktcykeln blivit allt kortare då företagen erbjuder allt fler skräddarsydda produkter för specifika tillämpningar. Dagens konstruktionsgrupper måste också använda mer av sina resurser för att uppfylla olika krav. Dessa extra krav uppnås ofta på bekostnad på effektkonstruktionen vilket leder till såväl elektriska som termomekaniska utmaningar och i sin tur arbetsintensivt laboratoriearbete.
Om man saknar möjlighet att utvärdera nya konstruktioner med de senaste effektkomponenterna kan konstruktören bli frestad att använda kända och utprovade lösningar med äldre och mindre effektiva komponenter. Detta kan vara negativt för slutprodukten. Exempelvis kan den behöva en relativt stor och dyr kylkropp vilken med en nyare konstruktion med modernare effekthalvledare kan minskas eller helt elimineras.

Tillämpningsorienterade verktyg
Konstruktionsverktyg på Internet kan eventuellt snabba upp konstruktionen av effektsteg men enkla webbaserade komponentselektionsverktyg är av ringa värde.

Fig 1. Ett typiskt exempel på en webbaserad urvalsguide som bara föreslår komponentparametrar baserade på standardiserade testförutsättningar.

Den här sammanställningen ett typiskt exempel på en mängd parametrar men inget om den termiska miljön eller arbetsfrekvensen.
International Rectifiers senaste generation webbaserade verktyg som introducerades 2011 har fördelar av att möjliggöra analys av kritiska tillämpningsparametrar som temperatur och frekvens. I tidigare versioner beräknades arbetstemperatur på chippet i bakgrunden med en uppsättning arbetsförutsättningar som var enkla men representativa. Den senaste versionen krymper gapet mellan den termiska miljön och komponenten och utökar funktionerna genom att låta såväl kylkroppens termiska resistans som den termiska resistansen för ytmonterade komponenter vara med i beräkningen.
Fig 2 till och med 6 visar hur verktyget kan hjälpa till att utvärdera olika alternativa IGBTer och konstruktionsvägar för att skapa en liten motorstyrning för t ex en vitvarutillämpning.
Kapselkaraktäristik och elektriska arbetsbetingelser matas in i tillämpliga fält tillsammans med kundkravet på kortslutningstålighetstid på 10 µs. En enkel kylklämma är specificerad för trefasbryggan och dess termiska resistans på 12°C/W matas in.
Verktyget använder dessa data för att beräkna effektförluster under de specificerade arbetsbetingelserna. Bara komponenter som arbeta på junction-temperatur lägre än ett förinställt värde presenteras som möjliga. Temperaturgränsen är lika med den maximalt tillåtna junction-temperaturen minus avdraget i fig 2. Det är viktigt att komma ihåg att värdena för effektförlust och temperatur inte är absoluta och bör endast användas för att jämföra möjliga alternativ.

Fig 2. Utvärderingsmotorn använder informationen som matas in i detta formulär för att eliminera komponenter som överskrider stipulerad junction-temperatur vid de specificerade arbetsvillkoren.

De IGBTer som uppfyller kriterierna i fig 2 är de fyra som visas i fig 3. De rankas för arbetstemperatur vilket naturligtvis är nära relaterat till verkningsgraden.
Verktyget kan användas för att utforska alternativa lösningar som ytmontering utan kylkropp. Konstruktionen räknas om för att specificera ytmonterad DPAK-kapsel med en termisk resistens mot omgivningen på 40°C/W. Detta är representativt för ett kretskort med 100-150 grams kopparlaminat och via under IGBTerna. Alla andra arbetsbetingelser är desamma.

Fig 3. Fyra IGBTer uppfyller kriterierna enligt fig 2. De rankas i ordning av junction-temperatur på chipet – ett värde som är nära relaterat till verkningsgrad.

Fig 4. Ingångsvärdena i fig 2 har ändrats till att efterfråga ytmonterade IGBTer och föreslår komponenter som troligen är mindre dyra än de som föreslås i fig 3.

Denna gång returnerar verktyget de två IGBTerna i fig 4. Effektförlusten är lika med IGBTerna i fig 3 men eftersom kapsel och kiselyta är mindre är troligen DPAK-komponenterna billigare. Junction-temperaturen blir kanske något högre men håller sig inom begränsningarna för junction-temperatur och kretskortsmöjlighet.
Att reducera kortslutningskraven från 10 µs till 5 µs (väl inom reaktionstiden för en vanlig strömavkännande krets) kan göra det lättare att hitta lämpliga komponenter som kan fungera i denna tillämpning.

Fig 5. Minskade krav på kortslutning gör att verktyget föreslår mer effektiva och mindre dyra komponenter.

Denna gång föreslår verktyget samma IGBTer som i fig 4 och en ny (fig 5) som ger lägre effektförlust och lägre junction-temperatur. Inte särdeles förvånande är denna mer effektiva IGBT av nyare trench-typ medan de andra två är tillverkade i planarteknologi.
Den senaste versionen av verktyget som nu är releasad ger konstruktören möjlighet att analysera vidare genom att jämföra de relativa prestanda för möjliga IGBT:er för att finna ut deras möjligheter.

Fig 6. Diagrammet för ström i förhållande till frekvens ger en ögonblicksbild av prestanda för ledning och switchning för att underlätta jämförelse av komponenter.

Grafen i fig 6 genereras genom att klicka på rutan till vänster om varje typnummer och knappen “Current v. Frequency chart”. I de förra beräkningarna var ström och frekvens fast. Notera att i denna graf är junction-temperaturen fast men temperaturen varierar och ström är slutresultatet.

Förfina konstruktionen
Som framgår av fig 6 visar verktyget tydligt att IRGR4045 har mycket bättre ledningsförmåga än de två IGBTerna eftersom den kan leda mycket mer ström vid låga frekvenser. Det är också klart att strömhanteringsförmågan minskar snabbare när frekvensen ökar vilket indikerar på högre switchförluster. En erfaren konstruktör vet att snabb switchfrekvens medför EMI-problem och behöver nödvändigtvis inte ge påtagliga fördelar, speciellt inte i motorstyrningar.
Tabellen ger också indikation på junction-temperatur i drift och effektförlust. Kurvorna är för en junction-temperatur som är nerräknad från maximum med 25°C enligt inmatningarna i början.
IRGR4045 är nominellt på 175°C medan de andra nominellt är på 150°C. Det är en orsak till att kurvan för IRGR4045 är så mycket högre än för de andra två.
I praktiken är det begränsningarna i kretskortet som förhindrar att motorstyrningen kan dra nytta av den högre temperaturtåligheten i IRGR4045. Som framgår av fig 5 har IRGR4045 den lägsta arbetstemperaturen i denna specifika tillämpning. Detta ger andra optimeringsmöjligheter; genom att eliminera via på kretskortet och använda tunnare koppar (100 gr) kan man minska BOM-kostnaden. Effekterna på förluster och temperatur kan kontrolleras genom att gå tillbaka till komponenturvalsguiden och öka termiska resistansen från 40°C/W till exempelvis 50°C/W och beräkna resultatet.
Exemplet visar på hur den senaste utgåvan av detta verktyg på Internet är mer effektivt än tidigare utgåvor för att hjälpa konstruktörer att bestämma total prestanda i sitt effektsystem och optimera för kostnad, verkningsgrad och tillförlitlighet.

Framtida verktyg
Fortfarande kan verktyg i form av webbaserade effektkonstruktionsverktyg förbättras. International Rectifier har identifierat två områden för förbättringar. Ett av dessa är att få till en bättre beräkning av omvandlarens pulsbreddsförhållande och förluster. I schemat i fig 6 beräknas förluster för en buck-omvandlare som arbetar med 50 procents pulsbreddförhållande i kontinuerligt mode. I denna arbetsmode leder inte den tillsammans med IGBTn kapslade dioden. Den komplementära dioden leder däremot men dess förluster är inte beräknade.
Junction-temperaturen för den övre komponenten är fortfarande riktig eftersom dess diod inte leder men beräkningen är inte representativ för en verklig tillämpning eftersom pulsbreddsförhållandet kan vara lägre eller högre och förlusterna variera därmed.
För att komma förbi denna begränsning har International Rectifier börjat utveckla tillämpningsspecifika verktyg. Detta ger möjlighet till att ta hänsyn till många andra faktorer som olika modulationsstrategier och att en IGBT i en motorstyrning bara leder under halva cykeln av motorströmmen medan dess diod under andra halvan. Ett verktyg speciellt för motorstyrningar skulle ta alla dessa faktorer i beaktande utan att försumma den termiska miljön. Det skulle beräkna pulsbreddsförhållandet baserat på av användaren inmatade värden på modulationsindex och effektfaktor.
En annan förbättring tar hänsyn till det faktum att den termiska miljön inte riktigt kan karaktäriseras med motståndsvärden eftersom värmen inte flödar linjärt från punkt till punkt utan flyter i alla olika riktningar beroende på temperturskillnader. Det finns inget som ”kylkroppstemperatur” eller ”junction-temperatur” heller; det är en temperaturfördelning på ytan av ett chip och en 3-dimensionell temperaturdistribution inom en kylkropp.
Behövliga analysverktyg för att modellera en termisk miljö noggrant finns redan i form av FEA-motorer som kan bäddas in i verktyget. Utmaningen är att skapa en uppsättning kylkroppsmodeller. Dylika modeller utvecklas inom speciellt krävande sektorer som för fordon. Vägen framåt är att standardisera dessa modeller och gör dem mer användbara för generella tillämpningar.

Utforska nya möjligheter
Nya generationer av effekthalvledare kan hjälpa till att minska lösningarnas storlek och kostnad samtidigt som de ger bättre tillförlitlighet och verkningsgrad. Tidspress kan emellertid förhindra konstruktörer att utforska nya möjligheter och uppmuntra till att återanvända gamla konstruktioner. Konsekvenserna visar sig i icke-optimala prestanda i slutprodukten. De senaste generationerna av webbaserade verktyg är effektiva i att snabba upp konstruktionsprocessen och kan hjälpa konstruktörer att dra nytta av de senaste teknologierna i nya produkter.

Filed under: Effekthalvledare