Introducción

Los dispositivos electrónicos de potencia forman la columna vertebral de los sistemas eléctricos modernos, desde las unidades de motor industriales y los inversores de energía renovable hasta los sistemas eléctricos de potencia y los suministros de energía de consumo. Los transistores, diodos, tirisores y transistores bipolar de ágata aislada (IGBTs) deben operar de forma fiable bajo una amplia gama de condiciones ambientales.

Impacto en la conductividad eléctrica y la resistencia

La conductividad eléctrica de un semiconductor se determina por el producto de la concentración de portadores, carga de portador y movilidad de portadores. La temperatura influye tanto en la movilidad de los transportistas de carga como en la concentración de portadores intrínsecos, lo que lleva a cambios significativos en la resistencia a los dispositivos. Para la mayoría de los dispositivos electrónicos de potencia, la temperatura creciente reduce la movilidad del portador debido a la dispersión de la tracción de la rejilla, que tiende a aumentar la resistencia.

Degradación de la movilidad de los transportistas

En semiconductores cristalinos como silicio, carburo de silicio (SiC), y nitruro de gallium (GaN), los portadores de carga dispersen vibraciones de latiga (fonones) más frecuentemente a temperaturas más altas.Este mecanismo de dispersión de fonón reduce la vía libre de los electrones y los agujeros, reduciendo su movilidad.

Resistividad y Variación de Resistente

La resistencia global de una región semiconductora es una función tanto de movilidad como de concentración de portadores. En regiones de deriva ligeramente dopadas comunes en dispositivos de alta tensión, la resistencia aumenta con la temperatura porque la reducción de la movilidad supera el aumento de los portadores intrínsecos. Este coeficiente de temperatura positiva de resistencia es beneficioso para el funcionamiento paralelo de MOSFETs, ya que promueve el reparto actual y evita el funcionamiento térmico negativo en modo lineal.

Semiconductor Bandgap Corrientes de estrechamiento y Leakage

El ancho de banda de energía de un semiconductor disminuye con temperatura creciente. Este estrechamiento ocurre porque la expansión de la rejilla y las interacciones de electron-fonón aumentan reducen la diferencia de energía entre las bandas de valencia y conducción.El coeficiente de temperatura de la bandagap para el silicio es de aproximadamente -0.27 meV/K, mientras que para SiC es alrededor -0.33 meV/K.

Mecanismos actuales de desagüe

En los diodos de energía y transistores de unión bipolar, la corriente de fuga inversa está dominada por la corriente de difusión y la corriente de recombinación de generación en la región de agotamiento. Ambos mecanismos aumentan exponencialmente con la temperatura porque dependen de ni] o ni térmicamente][

Descomposición de tensión de desintegración

El voltaje de descomposición de un dispositivo p-n, basado en la multiplicación avalancha, es de temperatura dependiente porque el camino medio libre de los transportistas y el coeficiente de ionización varían con temperatura. En dispositivos de silicio el voltaje de descomposición suele aumentar con temperatura alrededor de 0,1%/°C debido a un recorrido libre de transporte reducido, lo que requiere un campo eléctrico más alto para la ionización de impacto.

Efectos de temperatura en dispositivos de potencia clave

Las diferentes estructuras semiconductoras de potencia responden de forma única a las variaciones de temperatura. Entender estos comportamientos específicos de dispositivo es crítico para seleccionar el componente apropiado y diseñar circuitos de protección eficaces.

Power MOSFETs

Para los MOSFETs de potencia, el interruptor de temperatura de la entrada (RDS(on)) tiene un coeficiente de temperatura positivo en el rango de operación típico, que ayuda en operación paralela y evita los puntos calientes durante la conducción. Sin embargo, el voltaje del umbral (V) de la velocidad de la toma

IGBTs

IGBT combina una entrada MOS con una salida bipolar, haciendo que su comportamiento de temperatura sea más complejo. El voltaje de saturación de colector-emisor (V]CE(sat)) suele mostrar un coeficiente de temperatura negativa por encima de las densidades de corriente bajas y un coeficiente positivo por densidades de alta corriente.

Diósmos de energía

En los diodos de recuperación rápida y los diodos Schotky, la caída de tensión avanzada (VF) tiene un coeficiente de temperatura negativa para los dispositivos de silicio, lo que significa VF disminuye a medida que aumenta la temperatura.

Tiristors and Triacs

Los tirisadores y los triacs son susceptibles a la activación inducida por la temperatura. La corriente de gatillo de la puerta (IGT) disminuye con la temperatura, facilitando el encendido a temperaturas más altas. Esto puede llevar a la activación falsa en entornos ruidosos. La corriente de retención (I]]H) también disminuye, que se mantiene el control de la tensión de de de de de de de de desimpresión

Corrección térmica y fiabilidad de dispositivo

El autocalentamiento combinado con parámetros eléctricos sensibles a la temperatura crea el riesgo de fuga térmica, un proceso de retroalimentación positivo que puede destruir un dispositivo de alimentación en milisegundos. Cuando un dispositivo disipa la potencia, su temperatura de unión aumenta, lo que puede aumentar las corrientes de fuga o reducir los voltajes del umbral, lo que conduce a una disipación de potencia más alta y un aumento de temperatura más.

Mecanismos acelerados de envejecimiento y fracaso

Elevar las temperaturas de funcionamiento acelera múltiples mecanismos de falla en la electrónica de energía. Un modo de falla común es el desmontaje de alambre de enlace causado por ciclos térmicos repetidos y la expansión diferencial entre los alambres de aluminio y el de silicio. Otro es la fatiga de soldadura en el agregado de la matriz y capas de sustrato, que aumenta la resistencia térmica y empeora el autocalentamiento.

Medición y monitoreo de la temperatura de unión

La determinación precisa de la temperatura de unión es esencial para la evaluación de la fiabilidad. La medición directa mediante termopares incrustados es impráctica en dispositivos de producción, por lo que se utilizan métodos indirectos. La caída de tensión de un diodo a baja corriente, el umbral de puerta de un MOSFET, o el voltaje de un IGBT a una corriente de calibración proporcionan parámetros eléctricos sensibles a la temperatura (TSEP).

Estrategias de gestión térmica

La gestión térmica eficaz es la herramienta principal para mantener el rendimiento y la fiabilidad del dispositivo. El objetivo es minimizar la resistencia térmica de unión a ambiente y mantener la temperatura de unión muy por debajo del máximo nominal, típicamente 150 °C para el silicio y 175 °C–200 °C para dispositivos SiC y GaN.

Técnicas de enfriamiento pasiva

Los lavabos de calor son el elemento de refrigeración pasivo más común. Su eficacia depende de la conductividad térmica material (aluminio, cobre o compuestos avanzados), superficie y condiciones de flujo de aire. Los lavabos de calor finos aumentan la superficie convectiva, mientras que los tubos de calor pueden transferir calor del dispositivo a un radiador remoto.

Sistemas de refrigeración activos

Para aplicaciones de alta potencia, el enfriamiento de aire forzado mediante ventiladores o sopladores proporciona una transferencia de calor superior en comparación con la convección natural. Los sistemas de refrigeración líquido, incluyendo placas frías y enfriamiento de inmersión, pueden alcanzar resistencias térmicas incluso más bajas. En los inversores de tracción de vehículos eléctricos, el enfriamiento líquido directo de los módulos IGBT con fluidos dielectricos es común.

Materiales avanzados y embalaje

El paquete semiconductor en sí juega un papel crítico en la gestión térmica. La unión de clips de cobre y sinterización de plata están reemplazando los enlaces de alambre de aluminio tradicionales para una menor resistencia eléctrica y térmica. Sustratos hechos de cobre directo (DBC) en nitrido de aluminio o nitruro de silicio ofrecen alta conductividad térmica y coeficientes de combinación de expansión térmica para reducir el estrés.

Implications for System Design

El diseño de sistemas electrónicos de energía que toleran variaciones de temperatura amplia requiere un enfoque a nivel de sistemas. Los ingenieros deben realizar simulaciones térmicas utilizando análisis de elementos finitos o dinámicas de fluidos computacionales para predecir las distribuciones de temperatura. Las directrices de desgarrantes proporcionadas por los fabricantes deben seguirse con carácter conservador. Por ejemplo, el funcionamiento de un IGBT al 80% de su corriente nominal a 85 °C ambiente puede mejorar la confiabilidad evitando la fatiga en bicicletas térmica.

Margenes de derretimiento y seguridad

El derrame consiste en operar un dispositivo por debajo de sus calificaciones máximas absolutas para proporcionar un margen de seguridad. Las recomendaciones de desgarramiento comunes incluyen reducir la temperatura de unión a no más del 80% de la calificación máxima, limitando el voltaje al 80% de V(BR), y manteniendo las corrientes de pico por debajo del 75% del valor nominal.

Simulación y modelado

Las herramientas de co-simulación térmicas permiten a los diseñadores predecir con precisión la interacción entre pérdidas eléctricas y la respuesta térmica. Los modelos SPICE incorporan parámetros dependientes de la temperatura (como RDS(on)(T), V] (T) y I permiten un análisis de la fase proactivada

Conclusión

[LT] Las variaciones de temperatura influyen profundamente en las propiedades eléctricas de los dispositivos electrónicos de energía, influyen en la conductividad, las corrientes de fuga, los voltajes de descomposición, la velocidad de conmutación y la fiabilidad a largo plazo.De la degradación de la movilidad de los transportadores en los desplazamientos de tensión de los IGBT y el envejecimiento acelerado en todas las uniones semiconductores, los efectos térmicos deben ser cuidadosamente gestionados.