IGBTの熱計算により 電力設計の有効性を最大化：電源設計（3/4 ページ）

1つのダイで構成される半導体デバイスのジャンクション（接合部）温度の計算方法はよく知られています。ダイの電力損失を測定し、ダイとパッケージ間の熱抵抗を掛けて、ケースから接合部への温度上昇を計算すれば求められます。しかし、IGBTとダイオードを1パッケージに封止したパワーモジュールの場合はどうすれば良いでしょう。ここでは、IGBTとダイオードの熱抵抗を用いて平均およびピーク時のジャンクション温度を計算する方法を解説します。

[Alan Ball（ON Semiconductor），EDN Japan]

ダイ温度の計算

　パッケージ内の2つのダイの温度を正確に計算するためには、両方の自己発熱の相互作用を考慮することが重要です。これには、ダイオードの熱抵抗、IGBTの熱抵抗、ダイの相互作用Psiという、3つの定数が必要です。メーカーによっては、パッケージに対して1つの熱抵抗を公表していますが、この場合、ダイ温度は単に見積りであり、実際は精度に大きなばらつきがある可能性があります。

　IGBTおよびダイオードの熱抵抗の図は、デバイスのデータシートに含まれています。安定状態の熱抵抗は、図7および図8のように示されています。IGBTの場合は、0.470℃/W、ダイオードの場合は1.06℃/Wとなっています。計算にはもう1つの熱係数が必要で、これが2つのダイ間の熱の相互作用定数であるPsiです。テストでは、TO-247、TO-220、および同様のパッケージの場合、約0.15℃/Wであることが示され、下記の例はそれを使用しています。

図7：IGBTの過渡的な熱インピーダンス （クリックで拡大）

図8：ダイオードの過渡的な熱インピーダンス （クリックで拡大）

IGBTのダイ温度を求める

　IGBTのダイ温度は、下記の公式を使用して計算できます。

T_J-IGBT＝（P_IGBT・Rθ_IGBT）＋（P_DIODE・Psi）＋T_CASE

下記の条件を想定して計算：

• TC＝82℃
• RΘ_JC-IGBT＝0.470℃/W
• P_D-IGBT＝65W
• P_D-DIODE＝35W
• Psi-interaction＝0.15℃/W

IGBTダイの温度

• T_J-IGBT＝（65W・0.470℃/W）＋（35W・0.15℃/W）＋82℃
  • T_J-IGBT＝118℃

ダイオードのダイ温度を求める

RΘ_JC-diode＝1.06℃/W
　T_J-DIODE＝（P_DIODE・Rθ_DIODE）＋（P_IGBT・Psi）＋T_CASE

ダイオードのダイの温度

• T_J-DIODE＝（35W・1.06℃/W）＋（65W・0.15℃/W）＋82℃
  • T_J-DIODE＝129℃