Diodlikriktarmoduler · Teknisk förklaring
Diode Module Forward Voltage and Power-Loss Evidence
Framspänningen är en av de ingångsvärden som används för att uppskatta värmeutvecklingen i en effektdiodmodul. Det är inte ett fast värde som kan överföras från en ström, temperatur eller topologi till en annan. Innan modulerna jämförs behöver ingenjören den faktiska strömvågformen, ledningsvägen, komponentens temperatur samt data för framspänningskaraktäristiken för den exakta modellen.
I den här artikeln förklaras vad information om diodens framspänning kan och inte kan visa vid en termisk utvärdering. Artikeln anger inte något specifikt förlustvärde för en RITOKS-modul och ersätter inte heller en systemberäkning. Leverantörens aktuella datablad och applikationens driftsprofil är fortfarande avgörande.
Vad framspänningen står för
En diod leder ström i framriktningen när det uppstår ett spänningsfall över den. Genom att multiplicera en lämplig momentanspänning med momentströmmen får man den momentana elektriska förlusten, som främst omvandlas till värme i komponenten. Den totala värmeutvecklingen under en cykel beror på hur ström och spänning varierar i förhållande till varandra, inte bara på ett enskilt värde som avläses från ett diagram.
Datablad för effektmoduler kan innehålla framspänningskurvor vid olika övergångstemperaturer eller en förenklad modell baserad på tröskelvärde och lutning. Dessa framställningssätt tillgodoser olika beräkningsbehov. En typisk kurva underlättar förståelsen av beteendet, men för att uppnå en tillräcklig konstruktionsmarginal kan det krävas en maximal karakteristik eller den metod som tillverkaren rekommenderar. Kontrollera vilken framställningsform leverantören förväntar sig för värmebelastning i värsta fall.
Temperaturen spelar roll eftersom diodens framspänningsbeteende förändras när halvledaren värms upp. Man bör inte blanda ihop en kurva vid rumstemperatur med en driftsström vid hög temperatur och betrakta resultatet som en validerad maximal förlust. I Infineons applikationsmaterial för halvledare beskrivs temperaturberoendet för diodens framspänning; storleken och riktningen inom ett visst driftsintervall måste hämtas från de exakta komponentuppgifterna.
Använd den faktiska strömkurvan, inte bara den nominella strömmen
Undersök hur dioden leder ström i den faktiska kretsen. En likriktarsida, en frilöpningsväg och en backströmsspärr kan ha mycket olika ledningsintervall även om belastningsströmmen är likartad. Registrera uppgifter om medelvärde, RMS-värde, toppvärde och arbetscykel enligt tillverkarens beräkningsmodell. En jämn likström och en smal, repetitiv puls bör inte behandlas som likvärdiga enbart för att deras medelvärden stämmer överens.
Dokumentera kretsens topologi och vilka kretskretsar eller interna diodvägar som leder ström. I en modul som innehåller mer än en komponent utgörs modulens totala värme av summan av relevanta elementförluster, medan det hetaste elementet kan avgöra gränsvärdet för övergångstemperaturen. Ett anslutningsschema är därför en del av värmeanalysen, inte bara ett tillbehör för kopplingar.
Beakta onormala men rimliga förhållanden, såsom uppstart, överbelastning, händelser relaterade till återhämtning vid omvänd strömriktning och upprepade cykler, i de fall de påverkar enheten. Gör åtskillnad mellan kontinuerlig termisk belastning och förmågan att klara korta strömstötar. En klassificering för icke-upprepade strömstötar är inte detsamma som en klassificering av framledningsförlust vid normal drift.
Läs villkoren i databladet bredvid kurvan
När ett värde för framspänning anges, bör man fråga vid vilken framström, övergångstemperatur och pulsförhållanden mätningen utfördes. Testmetoden kan begränsa självuppvärmningen under mätningen. Ett enskilt nominellt värde utan dessa specifikationer kan inte ange den genomsnittliga förlusten i en installerad omvandlare.
Kontrollera om kurvan är typisk och om gränsvärden anges separat. Jämför alternativa moduler under likvärdiga förhållanden. Att använda det lägsta typiska värdet från en leverantör och det högsta värdet från en annan ger en missvisande jämförelse. Om den information som behövs för att standardisera jämförelsen saknas, ange detta som en öppen fråga.
Var uppmärksam på skillnaden mellan värden per chip, per diod och per modul. För en brygg- eller dubbeldiodkonfiguration påverkar antalet ledande element det totala spänningsfallet och värmeutvecklingen. Kontrollera att det interna schemat och ledningsvägen stämmer överens innan du summerar förlusterna. Den kommersiella termen “diodmodul” anger inte hur många enheter som är seriekopplade i applikationsvägen.
Anslut den elektriska förlusten till värmenätet
Den beräknade värmeförlusten används som underlag för en termisk modell. Värmen måste ledas från kopplingspunkten genom höljet, monteringsytan och kylflänsen ut i den omgivande luften eller kylvätskan. Skaffa exakta termiska data för värmeöverföringen från kopplingspunkten till höljet eller motsvarande data och förstå referenspunkterna. Kylflänsens prestanda måste mätas eller specificeras under de luftflödes- och monteringsförhållanden som gäller för installationen.
Vid kontinuerlig drift kan en förenklad beräkning av temperaturökningen användas för att sålla bort kandidater, men den förutsätter representativa värmeförluster och värmemotstånd. Vid växlande drift kan det vara nödvändigt att beakta transient värmeimpedans och tidsintervallet mellan pulserna. Upprepade pulser kan leda till värmeackumulering även om varje enskild puls är kortvarig. Undvik att enbart använda ett värde för stationär drift för att bortse från en återkommande topp.
Gränssnittet mellan modulen och kylkällan är avgörande. Ytans planhet, värmeledande material, monteringstryck och monteringsförfarande kan påverka kontaktmotståndet. Infineons installationsguide för moduler betonar materialets och de geometriska faktorernas inverkan på värmeöverföringen. Den exakta monteringsanvisningen för den aktuella modulen måste ange den faktiska processen.
Förväxla inte framåtförlust med bakåtspärrning
Uppgifter om framspänning hjälper till att uppskatta förlusten när en diod leder ström. Värdena för bakspänning anger diodens förmåga att blockera ström i motsatt riktning under specificerade förhållanden. Det ena ersätter inte det andra. En modul kan verka attraktiv utifrån ledningsförlusten, men ändå inte uppfylla kretsens krav på spänning eller överspänning.
För en rättvis utvärdering av kandidaterna bör spänningsbelastning, överspänningsbelastning, strömvågform och termiskt beteende redovisas i separata kolumner. För varje parameter finns exakta modelldata. Om en tillämpning med backspänningsskydd övervägs bör man verifiera den förväntade backspänningen och felscenarierna, istället för att dra slutsatsen att modulen är lämplig enbart utifrån den låga framspänningen.
Jämför kandidaterna vid samma arbetspunkt
| Jämförelsefält | Projektunderlag | Modellbevis |
|---|---|---|
| Strömkurva | Storlek, varaktighet och upprepning | Terminskurva eller förlustmodell |
| Temperatur | Förväntat räckviddsområde för anslutningar och omgivningen | Temperaturspecifika framåtdata |
| Topologi | Ledande enheter i varje delstat | Intern schemaskiss |
| Värmeväg | Gränssnitt, avlopp och luftflöde | Värmeimpedans och monteringsanvisning |
| Annan stress | Omvänd spänning och överspänningshändelser | Värden vid relevanta förhållanden |
Dokumentera beräkningsantagandena och ändringarna i varje datablad. Om en leverantör använder en annan intern konstruktion eller ett annat hölje kan värmeflödet förändras även om framåtkurvan ser likadan ut. Inköpsavdelningen bör undvika att byta ut komponenter enbart på grundval av ett lägre angivet spänningsfall.
Verifiera den installerade sammansättningen
Beräkningar stöder valet, men ett test vid installerad temperatur hjälper till att kontrollera antaganden om värmeförluster och kylning. Ange strömkurvan, omgivningstemperaturen, luftflödet, mätpunkten och tiden till termisk jämvikt för testet. Använd den av tillverkaren godkända metoden för att koppla den uppmätta temperaturen på höljet eller kylflänsen till övergångsförhållandena.
Om resultaten avviker från prognosen bör du undersöka den uppmätta strömmen, den interna ledningsvägen, appliceringen av kontaktmedlet och luftflödet i kylflänsen innan du justerar modellen. Dokumentera den slutliga monteringsprocessen så att upprepade tillverkningar ger samma verifierade kontakt. En prototyp som fungerar endast när kontaktmedlet appliceras manuellt med ovanlig noggrannhet utgör inte tillräckligt underlag för serietillverkning.
Dokumentera alla konstruktionsändringar som påverkar den termiska prestandan: en annan fläkt, ett annat modulhölje, en annan samlingsskena, en annan kapslingsvägg eller ett annat monteringsmaterial. Även en liten mekanisk ändring kan påverka luftflödet eller kontaktkvaliteten. Kontrollera det aktuella testet på nytt istället för att utgå från att det tidigare resultatet gäller oförändrat.
Vad man ska göra när kurvorna är ofullständiga
Vissa produktsidor anger endast en nominell ström och ett värde för framspänningen. Detta är otillräckligt för en detaljerad termisk modell baserad på en varierande vågform. Be leverantören om den fullständiga kurvan, förlustkoefficienterna eller en godkänd beräkningsmetod för tillämpningen. Förklara vilket strömområde och vilket övergångstemperaturområde som projektet kräver; annars kan leverantören skicka ett dokument där det kritiska området fortfarande utelämnas.
Om endast typiska data finns tillgängliga ska resultatet betraktas som en preliminär uppskattning. Räkna med en uttrycklig osäkerhetsmarginal och planera in ett temperaturtest. Ange inte den beräknade temperaturen som ett garanterat maximivärde. Om ingen välunderbyggd uppskattning kan göras bör valet skjutas upp, istället för att ersätta det med en lämplig kurva från en annan modul. Även enheter med liknande höljen kan använda olika kretsar och interna anslutningar.
Hur man formulerar en förfrågan om en diodmodul
Skicka kretsschemat, den förväntade strömkurvan, ledningsgraden, kraven på spärrspänning, omgivnings- och kylningsplanen, begränsningar avseende kapslingen samt den exakta dokumentation som krävs. Bläddra bland serien av diodemoduler för att kartlägga kommersiella alternativ. Den MDA-familjen med gemensam anod och MD300A-serien med backspärr är olika utgångspunkter för topologin, inte rekommendationer som kan bytas ut mot varandra.
Begär framåtkurvor för exakta modeller, termiska data, ritningar över interna kretsar och monteringsanvisningar via Kontakt med RITOKS. Be leverantören att ange vilka värden som är typiska, gränsvärden eller villkorliga. Först då kan ingenjören jämföra det termiska beteendet vid samma driftsförhållanden.
Vanliga frågor
Betyder en lägre framspänning alltid att modulen blir svalare?
Inte automatiskt. Jämför enheterna vid samma strömvågform och temperatur, och ta sedan hänsyn till kretskapsets värmeflöde och kylning. En enskild framspänningspunkt ger ingen indikation på den faktiska övergångstemperaturen vid installation.
Kan jag multiplicera en katalogspänning med medelströmmen?
Endast om den approximationen överensstämmer med tillverkarens metod och de rådande ström- och temperaturförhållandena. En varierande vågform kräver ofta integration eller en validerad förlustmodell snarare än en enda mätpunkt.
Räcker det med en typisk kurva för slutgodkännande?
Begär information om konstruktionsgrunderna och eventuella maximivärden som tillverkaren rekommenderar. Vid det slutgiltiga godkännandet måste hänsyn tas till variationer, extrema omgivningsförhållanden och den exakta monteringsmetoden.
Sammanfattning
Framspänningen möjliggör endast uppskattning av diodförluster när strömkurvan, temperaturen och komponentens strömväg är definierade. Anpassa elektriska kurvor från exakta modeller till en termisk strömväg och validera den installerade enheten. Uteslut uppskattningar av förluster som saknar stöd från materialförteckningen och ange tydligt att underlag saknas.