Diode-gelijkrichtmodules · Technische uitleg
Diode Module Forward Voltage and Power-Loss Evidence
De voorwaartse spanning is een van de inputgegevens die worden gebruikt om de warmteontwikkeling in een vermogensdiodemodule te schatten. Het is geen vaste waarde die zomaar van de ene stroomsterkte, temperatuur of topologie naar de andere kan worden overgenomen. Alvorens modules met elkaar te vergelijken, heeft de ingenieur de werkelijke stroomgolfvorm, het geleidingspad, de temperatuur van het apparaat en de exacte modelgegevens van de voorwaartse karakteristiek nodig.
In dit artikel wordt uitgelegd wat informatie over de voorwaartse diodespanning wel en niet kan aantonen in het kader van een thermische beoordeling. Het artikel schrijft geen verlieswaarde voor een RITOKS-module voor en vervangt evenmin een systeemberekening. Het actuele gegevensblad van de leverancier en het werkprofiel van de toepassing blijven doorslaggevend.
Wat de voorwaartse spanning betekent
Een diode geleidt stroom in de doorlaatrichting wanneer er een spanningsval over de diode staat. Door een geschikte momentane spanning te vermenigvuldigen met de momentane stroom, verkrijgt men het momentane elektrische vermogensverlies, dat zich voornamelijk in de vorm van warmte in het apparaat manifesteert. De totale warmteontwikkeling gedurende een cyclus hangt af van hoe stroom en spanning samen variëren, en niet alleen van een enkel punt dat uit een grafiek wordt afgelezen.
In datasheets van vermogensmodules kunnen voorwaartse spanningscurves bij verschillende junctietemperaturen worden weergegeven, of kan een vereenvoudigd ‘drempel-plus-helling’-model worden aangeboden. Deze weergaven voorzien in verschillende berekeningsbehoeften. Een typische curve helpt om het gedrag te begrijpen, maar voor een ontwerpmarge kan een maximale karakteristiek of een door de fabrikant aanbevolen methode vereist zijn. Controleer welke weergave de leverancier verwacht voor het thermische werk in het slechtst denkbare geval.
De temperatuur is van belang omdat het gedrag van de diode in de doorlaatrichting verandert naarmate de halfgeleider warmer wordt. Vermeng een kromme bij kamertemperatuur niet met een bedrijfsstroom bij hoge temperatuur en beschouw het resultaat niet als een gevalideerd maximaal verlies. In het toepassingsmateriaal voor halfgeleiders van Infineon wordt de temperatuurafhankelijkheid van de doorlaatspanning van de diode besproken; de grootte en richting binnen een bepaald bedrijfsbereik moeten worden afgeleid uit de exacte apparaatgegevens.
Gebruik de werkelijke stroomwaarde, niet alleen de nominale stroom
Vraag hoe de diode in het daadwerkelijke circuit geleidt. Een gelijkrichtertak, vrijlooppad en anti-omkeerpad kunnen zeer verschillende geleidingsintervallen hebben, zelfs als de belastingsstroom vergelijkbaar is. Leg gegevens vast over gemiddelde, RMS, piek en duty-cycle, zoals vereist door het rekenmodel van de fabrikant. Een gelijkmatige gelijkstroom en een smalle, zich herhalende puls mogen niet als gelijkwaardig worden beschouwd, louter omdat hun gemiddelde waarden overeenkomen.
Leg de schakelingstopologie vast en noteer welke chips of interne diodepaden stroom geleiden. In een module met meer dan één component is de totale warmteontwikkeling van de module de som van de relevante elementverliezen, terwijl het heetste element bepalend kan zijn voor de grenswaarde van de junctietemperatuur. Een aansluitschema maakt daarom deel uit van de thermische analyse en is niet louter een hulpmiddel bij de bedrading.
Houd rekening met afwijkende maar realistische omstandigheden, zoals het opstarten, overbelasting, gebeurtenissen in verband met terugstroombeveiliging en herhaaldelijke schakelcycli, voor zover deze van invloed zijn op het apparaat. Maak een duidelijk onderscheid tussen continu thermisch vermogen en het weerstaan van kortstondige piekspanningen. Een piekstroomclassificatie die niet op herhaalde pieken is gebaseerd, is geen classificatie voor vermogensverlies bij normale werking.
Lees de voorwaarden in het gegevensblad naast de curve
Wanneer een waarde voor de doorlaatspanning wordt vermeld, vraag dan bij welke doorlaatstroom, junctietemperatuur en pulsomstandigheden deze is gemeten. De testmethode kan de zelfopwarming tijdens de meting beperken. Een enkele waarde zonder deze specificaties kan het gemiddelde verlies in een geïnstalleerde omvormer niet weergeven.
Controleer of de grafiek representatief is en of er afzonderlijke grenswaarden zijn opgegeven. Vergelijk alternatieve modules op basis van gelijkwaardige voorwaarden. Het gebruik van het laagste representatieve punt van de ene leverancier en het hoogste punt van een andere leverancier leidt tot een misleidende vergelijking. Als de informatie die nodig is om de vergelijking te standaardiseren ontbreekt, vermeld dit dan als een open vraag.
Let op het verschil tussen waarden per chip, per diode en per module. Bij een brug- of dubbele-diodeopstelling beïnvloedt het aantal geleidende elementen de totale spanningsval en warmteontwikkeling. Controleer of het interne schema en het geleidingspad overeenkomen voordat u de verliezen bij elkaar optelt. De commerciële term “diodemodule” geeft niet aan hoeveel elementen er in serie zijn geschakeld in het toepassingspad.
Sluit de elektrische verliesaansluiting aan op het warmtenet
De geschatte warmteafvoer wordt ingevoerd in een thermisch model. De warmte moet zich verplaatsen van de junctie via de behuizing, het bevestigingsoppervlak en het koellichaam naar de omringende lucht of het koelmiddel. Verzamel exacte thermische gegevens van het junctie-naar-behuizing-model of gelijkwaardige gegevens en zorg dat u de referentiepunten begrijpt. De prestaties van het koellichaam moeten worden gemeten of gespecificeerd onder de luchtstroom- en montageomstandigheden die relevant zijn voor de installatie.
Bij continu bedrijf kan een vereenvoudigde berekening van de temperatuurstijging worden gebruikt om kandidaten te screenen, maar deze is gebaseerd op representatieve verliezen en thermische weerstand. Bij wisselend bedrijf kunnen de transiënte thermische impedantie en de tijdsintervallen tussen pulsen van belang zijn. Herhaalde pulsen kunnen warmte ophopen, zelfs als ze afzonderlijk kort zijn. Vermijd het gebruik van uitsluitend een continu-bedrijfswaarde om een herhaalde piek uit te sluiten.
De interface tussen de module en de warmteafvoer is van belang. De vlakheid van het oppervlak, het thermisch interfacemateriaal, de montagedruk en de montageprocedure kunnen de contactweerstand beïnvloeden. In de installatiehandleiding voor modules van Infineon wordt de nadruk gelegd op de invloed van materiaal en geometrie op de warmteoverdracht. De exacte montagehandleiding van de betreffende module moet het daadwerkelijke proces beschrijven.
Verwar ‘forward loss’ niet met ‘reverse blocking’
Gegevens over de voorwaartse spanning helpen bij het inschatten van het verlies wanneer een diode geleidt. De nominale waarden voor de omgekeerde spanning geven aan in hoeverre de diode onder bepaalde omstandigheden stroom in de tegenovergestelde richting kan blokkeren. Het ene is geen vervanging voor het andere. Een module kan aantrekkelijk lijken wat betreft het geleidingsverlies, maar toch niet voldoen aan de spannings- of piekstroomvereisten van het circuit.
Zorg ervoor dat u, voor een objectieve beoordeling van de kandidaat-module, de spanningsbelasting, piekbelasting, stroomgolfvorm en thermisch gedrag in afzonderlijke kolommen weergeeft. Voor elk van deze aspecten is er bewijs op basis van een exact model. Als een toepassing met omkeerbescherming wordt overwogen, controleer dan de verwachte omgekeerde spanning en storingsscenario’s, in plaats van op basis van een lage voorwaartse spanning te concluderen dat de module geschikt is.
Vergelijk kandidaten op basis van hetzelfde functieniveau
| Vergelijkingsveld | Projectbijdrage | Bewijs uit het model |
|---|---|---|
| Stroomgolfvorm | Omvang, duur en herhaling | Termijncurve of verliesmodel |
| Temperatuur | Verwacht bereik van de verbinding en de omgevingstemperatuur | Temperatuurspecifieke voorspellingsgegevens |
| Topologie | Geleidende apparaten in elke staat | Intern schema |
| Warmtetraject | Interface, afvoer en luchtstroom | Thermische impedantie en montagehandleiding |
| Andere vormen van stress | Omgekeerde spanning en piekstroomgebeurtenissen | Waarderingen onder relevante omstandigheden |
Leg de aannames voor de berekening en de herziening van elk gegevensblad vast. Als een kandidaat een andere interne opbouw of een andere behuizing gebruikt, kan het warmtepad veranderen, zelfs als de voorwaartse curve er vergelijkbaar uitziet. De inkoopafdeling moet vervangingen vermijden die uitsluitend zijn gebaseerd op een lagere opgegeven spanningsval.
Controleer de geïnstalleerde assembly
Theoretische berekeningen ondersteunen de keuze, maar een test bij inbouwtemperatuur helpt bij het controleren van aannames inzake warmteverlies en koeling. Bepaal voor de test de stroomgolfvorm, de omgevingstemperatuur, de luchtstroom, het meetpunt en de tijd tot het thermisch evenwicht is bereikt. Gebruik de door de fabrikant goedgekeurde methode om de gemeten behuizings- of koellichaamtemperatuur te relateren aan de junctieomstandigheden.
Als de resultaten afwijken van de voorspelling, controleer dan de gemeten stroom, het interne geleidingspad, de aanbrenging van het contactmiddel en de luchtstroom langs het koellichaam voordat u het model aanpast. Leg het uiteindelijke assemblageproces vast, zodat bij herhaalde bouwprocessen het geverifieerde contact wordt gereproduceerd. Een prototype dat werkt met een ongewoon zorgvuldig met de hand aangebracht contactmiddel is geen voldoende bewijs voor productie.
Houd elke ontwerpwijziging bij die van invloed is op de thermische prestaties: een andere ventilator, modulebehuizing, verzamelrail, behuizingswand of bevestigingsmateriaal. Zelfs een kleine mechanische aanpassing kan de luchtstroom of de contactkwaliteit beïnvloeden. Controleer de betreffende test opnieuw in plaats van ervan uit te gaan dat het eerdere resultaat ongewijzigd van toepassing blijft.
Wat te doen als de curven onvolledig zijn
Op sommige productpagina’s worden alleen een nominale stroom en één voorwaartse spanningswaarde vermeld. Dat is onvoldoende voor een gedetailleerd thermisch model bij een variërende golfvorm. Vraag de leverancier om de volledige curve, verliescoëfficiënten of een goedgekeurde berekeningsmethode voor de toepassing. Geef aan welk stroombereik en welk junctietemperatuurbereik het project vereist; anders kan de leverancier een document sturen waarin het kritieke gebied nog steeds ontbreekt.
Als er alleen standaardgegevens beschikbaar zijn, beschouw het resultaat dan als een voorlopige schatting. Houd rekening met een expliciete onzekerheidsmarge en plan een temperatuurtest. Geef de berekende temperatuur niet aan als een gegarandeerd maximum. Als er geen onderbouwde schatting kan worden gemaakt, stel de selectie dan uit in plaats van een geschikte curve uit een andere module te gebruiken. Zelfs apparaten met vergelijkbare behuizingen kunnen verschillende chips en interne verbindingen gebruiken.
Hoe stel je een aanvraag voor een diodemodule op?
Stuur het schakelschema, de verwachte stroomgolfvorm, de geleidingscyclus, de vereiste blokkeerspanning, het omgevings- en koelingsplan, de beperkingen met betrekking tot de behuizing en de benodigde exacte bewijsstukken. Bekijk de serie diodemodules om commerciële mogelijkheden in kaart te brengen. De MDA-serie met gemeenschappelijke anode en MD300A-serie met terugloopbeveiliging zijn verschillende uitgangspunten voor de topologie, geen onderling uitwisselbare aanbevelingen.
Vraag de forwardcurves voor het exacte model, thermische gegevens, het interne schakelschema en de montage-instructies aan via Contactgegevens RITOKS. Vraag de leverancier om aan te geven welke waarden typisch, grenswaarden of voorwaardelijk zijn. Pas dan kan de ingenieur het thermisch gedrag bij dezelfde bedrijfsomstandigheden vergelijken.
Veelgestelde vragen
Betekent een lagere voorwaartse spanning altijd dat een module koeler is?
Niet automatisch. Vergelijk apparaten bij dezelfde stroomgolfvorm en temperatuur, en houd daarbij rekening met het thermische pad van de behuizing en de koeling. Een enkel punt voor de voorwaartse spanning zegt niets over de junctietemperatuur bij gebruik.
Kan ik een catalogusspanning vermenigvuldigen met de gemiddelde stroomsterkte?
Alleen als die benadering in overeenstemming is met de methode van de fabrikant en de stroom- en temperatuuromstandigheden. Bij een variërende golfvorm is vaak een integratie of een gevalideerd verliesmodel nodig in plaats van slechts één meetpunt.
Is een standaardcurve voldoende voor definitieve goedkeuring?
Vraag naar de ontwerpbasis en eventuele door de fabrikant aanbevolen maximumwaarden. Bij de definitieve goedkeuring moet rekening worden gehouden met variaties, extreme omgevingsomstandigheden en de exacte montagewijze.
Conclusie
De voorwaartse spanning ondersteunt de schatting van het diodeverlies alleen wanneer de stroomgolfvorm, de temperatuur en het pad van het onderdeel zijn gedefinieerd. Koppel de elektrische krommen van het exacte model aan een thermisch pad en valideer de geïnstalleerde assemblage. Laat niet-ondersteunde verliesramingen buiten de stuklijst en geef duidelijk aan welke gegevens ontbreken.