15年05月20日 | 通过:

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Fairchild 的 Motion SPM® 智能功率模块将各种工业运动和电机控制应用的驱动和保护电路集成到单个封装中。

我们最近引入了用于紧凑型电机控制应用的 SPM 7 模块,功率最高为 50 W。这些应用很少留有散热器的空间,这也就是说通过估算确保合适的结温 (TJ) 来保证系统可靠性至关重要。下面介绍几种计算 SPM® 7 系列结温的方法。

Motion SPM® 7 系列概述

高性能 SPM 7 模块系列综合了多个器件,包括高性能 FRFET® MOSFET 和半桥栅极驱动器 IC,在单个 PQFN 封装内提供全套功能、高性能逆变模块(图 1)。

Motion SPM 7 系列的关键设计目标当然是在装配空间有限时提供紧凑而可靠的变频设计解决方案。考虑诸如小型落地扇和吊扇电机、空调室内和室外风扇、水泵等系统。

FIg1 Package Outline structure[图1]封装外观和结构

我们将了解四种用来测算结温的方法,并展示测算结果:

  1. 直接测量(由红外摄像机检测的TJ
  2. TC_TOP 测算(用红外摄像机测量壳温 TC_TOP)
  3. TP 测算(热电偶检测 PCB 温度 TP)
  4. VTS 测算(用 VTS 检测的高压 IC THVIC 的结温)

A:直接测量(由红外摄像机检测的 TJ)

您可以使用红外摄像机直接测量结温。尽管这样看起来很直接,但需要打开模块封装。这个过程很费力、复杂、成本高,并且会改变最后装配的运行。然而,为了能够“查看壳体内部”和“检查”实际元件,这样的工作和成本是值得的。为了进行下列测量,使用专业设备执行打开封装的流程。

图2显示打开封装的位置和运行期间捕捉到的图像。在封装中包含的 6 个 MOSFET 中,W 相 H/S MOSFET 是最热的点。该热点主要是由引脚框架结构产生的,在引脚框架结构中,存在因相邻 MOSFET 产生的热叠加。

Fig2 de_cap position图2

B.TC_TOP 测算(由红外摄像机测量 TC_TOP)

通过大量模拟,我们知道 SPM 7 系列的 ΨJT大约为 0.77 ℃/W。事实证明 TJ与 TC_TOP 之间的差异可以忽略,因为只要最大功耗 (Pd) 低于 6 W 且 SPM 7 系列的 ΨJT大约为 ΨJT,该差异就小于 5℃。

图 3 和图 4显示 SPM 7 系列顶部的热等效电路和结构。注意尽管不存在散热器,PCB也起着散热的作用。

在这种情况下,TJ可通过下式计算: TJ = PD × ΨJT + TC_TOP’ TJ ≈ TC_TOP

Fig 3 Thermal Equipment Circuit[图3]顶部热等效电路

Fig 4 SPM 7 Package Thermal

[图4]从结到壳体顶部的 SPM 7 封装热阻

C.TP 测算(热电偶测量 TP)

由于结到 PCB的热阻较小PCB 层 P 的温度 TP是一个类似 TJ 的值。当 TP与测试结果中的真实 TJ(如图5所示)比较,测得的 TP值接近真实的 TJ

Fig 5 Graph for Temp Measurement[图5]温度测量图

在获取数据的过程中,我们发现图 6 和图 7 所示的附着位置对于减少 TJ与 TP之间的差异非常重要。通过最大程度地减少热电偶和器件之间的缝隙,您可以最大程度地减少 TJ与 TP之间的差异。

Fig 6 Examples of Good & Bad[图6]用于减少TJ与 TP测量之间差异的好坏附着示例

Fig 7 Proper Thermal

[图7]合理放置热电偶能够大幅减少TC_TOP 与 TP 之间的差异

D.VTS 测算(由 VTS 检测高压 IC THVIC 的结温)

TSU 模拟的电压输出VTS反映了 SPM 7 系列模块中 HVIC 的温度。下式显示 VTS电压与 V 相 HVIC 温度之间的关系。可表述为:

VTS = 0.019 x THVIC + 0.2 [V]

甚至当按照图6和7合理放置热电偶时,TJ与THVIC之间的差异会根据负载电流逐渐增大。根据实验判断,可通过计算 HVIC 温度来估计 MOSFET 结温。但是,系统条件(如热损耗)可以改变曲线。因此,有必要根据设定的应用条件进行资料记录。

[Fig. 8] TJ vs THVIC[图8] TJ与 THVIC

总结

如您所见,在考虑到成本、简便性和容差时,每种方法都有利有弊。下表总结出每种方法的不同方面。有关更深入的技术细节,可以查看表格下方的链接。

# 方法 所需设备 优点 缺点 注意
1 直接测量 打开封装的设备,

红外摄像机

精度 高成本 测量结温 TJ
2 TC_TOP 测量 红外摄像机 易于测量 高成本 壳温 TC_TOP 测量
3 T测量 热式记录仪 容易

测量

依赖附着点的较大差异 PCB 温度 TP 测量
4 VTS 测量 电压表 简单且成本较低的测量 要求THVIC与 TJ 之间的关联性 上面 #1~3 种方法可用于校正 T

 

若要查找更多关于 SPM® 7 系列额定功率产品: 请访问: https://info.fairchildsemi.com/FY15M04-FCS_Blog_1-Estimating_Junction_Temperature_for_SPM7_Module-Motor_Control_Product_Page.html

若要查看 SPM 产品列表,请访问: https://info.fairchildsemi.com/FY15M04-FCS_Blog_2-Estimating_Junction_Temperature_for_SPM7_Module-SPM_Search.html

若要分析并仿真电机驱动应用中的智能功率模块,请访问: https://info.fairchildsemi.com/FY15M04-FCS_Blog_3-Estimating_Junction_Temperature_for_SPM7_Module-Motion_Control_Design_Tool.html

若要查看应用指南:

“Motion SPM®7 系列用户指南” https://info.fairchildsemi.com/FY15M04-FCS_Blog_4-Estimating_Junction_Temperature_for_SPM7_Module-AN-9077_SPM7_Series_Users_Guide.html

“Motion SPM®5 系列表面贴装指南” https://info.fairchildsemi.com/FY15M04-FCS_Blog_5-Estimating_Junction_Temperature_for_SPM7_Module-AN-9078_Surface_Mount_Guidelines.html

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