Introduzione

I dispositivi elettronici di potenza costituiscono la spina dorsale dei moderni sistemi elettrici, dai motori industriali e dagli inverter di energia rinnovabile alle centrali elettriche dei veicoli e agli alimentatori dei consumatori. I transistor, i diodi, i tiristori e i transistor bipolari a porte isolate (IGBT) devono operare in modo affidabile in un'ampia gamma di condizioni ambientali.

Impatto sulla conducibilità elettrica e sulla resistenza

La conducibilità elettrica di un semiconduttore è determinata dal prodotto della concentrazione del vettore, della carica del vettore e della mobilità del vettore. La temperatura influenza sia la mobilità dei vettori di carica che la concentrazione del vettore intrinseco, portando a cambiamenti significativi nella resistenza del dispositivo. Per la maggior parte dei dispositivi elettronici di potenza, la temperatura crescente riduce la mobilità del vettore a causa di una maggiore dispersione dei reticoli, che tende ad aumentare la resistenza.

Degradazione della mobilità dei vettori

In termini di semiconduttori cristallini come il silicio, il carburo di silicio (SiC), e il nitruro di gallio (GaN), i vettori di carica disperdono le vibrazioni della reticola (phonons) più frequentemente a temperature più elevate. Questo meccanismo di dispersione del fonico riduce il percorso libero medio di elettroni e fori, abbassando la loro mobilità.

Resistenza e Variazione di resistenza

La resistenza complessiva di una regione semiconduttore è una funzione sia della mobilità che della concentrazione dei vettori. Nelle regioni di deriva leggera e affidabili comuni in dispositivi ad alta tensione, la resistenza aumenta con la temperatura perché la riduzione della mobilità supera l'aumento dei vettori intrinseci. Questo coefficiente di temperatura positivo di resistenza è utile per la simulazione parallela di MOSFET, in quanto promuove la condivisione corrente e impedisce il funzionamento termico in modalità lineare.

Correnti di essiccazione e di essiccazione dei semiconduttori Bandgap

Il bando di energia di un semiconduttore diminuisce con una temperatura crescente. Questo restringimento avviene perché l'espansione della reticola e le interazioni elettroni-foniche aumentano riducono la differenza di energia tra le fasce di valenza e di conduzione. Il coefficiente di temperatura del bandgap per il silicio è di circa -0.27 meV/K, mentre per il SiC è di -0.33 meV/K. Questa riduzione ha un effetto diretto ed esponenziale corrente di concentrazione del vettore intrinsenale

Meccanismi attuali di leakage

In corrente di corrente di corrente di corrente e transistor di giunzione bipolare, la corrente di dispersione inversa è dominata dalla corrente di diffusione e dalla corrente di ricombinazione di generazione nella regione di esaurimento. Entrambi i meccanismi aumentano esponenzialmente con la temperatura perché dipendono da n]i]

Determinazione di tensione di rottura

La tensione di rottura di un incrocio p-n, basata sulla moltiplicazione delle valanghe, dipende dalla temperatura perché il percorso libero medio dei vettori e il coefficiente di ionizzazione variano con la temperatura. Nei dispositivi di silicio, la tensione di rottura aumenta tipicamente con la temperatura di circa 0,1 %/°C a causa di un percorso libero ridotto del vettore, che richiede un campo elettrico più alto per l'ionizzazione di impatto.

Effetti di temperatura sui dispositivi di alimentazione chiave

Le diverse strutture di semiconduttori di potenza rispondono in modo unico alle variazioni di temperatura. Capire questi comportamenti specifici del dispositivo è fondamentale per selezionare il componente appropriato e progettare circuiti di protezione efficaci.

MOSFETs di potenza

Per l'alimentazione MOSFETs, l'intera temperatura di Miller (RDS(on)]) ha un coefficiente di temperatura positivo nella gamma di funzionamento tipica, che aiuta in funzionamento parallelo e impedisce punti caldi durante la conduzione. Tuttavia, la tensione di soglia (V]] ] diminuisce con la temperatura, tipicamente da 2 a 4 mV

IGBTs

I moduli di funzionamento INTGBT combinano un ingresso MOS con un'uscita bipolare, rendendo il loro comportamento di temperatura più complesso. La tensione di saturazione del collettore-emettitore (VCE(sat)]) mostra tipicamente un coefficiente di temperatura negativo a densità di corrente bassa e un coefficiente positivo a densità di corrente alta corrente.

Diodi di potenza

In diodi di recupero rapido e diodi Schottky, la caduta di tensione in avanti (V]F]) ha un coefficiente di temperatura negativo per i dispositivi di silicio, il che significa VF] diminuisce come aumento della temperatura.

Tiristori e triaci

I tiri e i triac sono suscettibili di innescare la temperatura indotta. La corrente di attivazione del cancello (IGT]]) diminuisce con la temperatura, rendendo il dispositivo più facile da accendere a temperature più elevate. Questo può portare a false attivazioni in ambienti rumorosi. La corrente di tenuta (I]H fase]]]]]]]) diminuisce anche la tensione di arresto che può

Risparmio termico e affidabilità dei dispositivi

L'autoriscaldamento combinato con parametri elettrici sensibili alla temperatura crea il rischio di fuga termica, un processo di feedback positivo che può distruggere un dispositivo di alimentazione in millisecondi. Quando un dispositivo dissipa l'energia, la sua temperatura di giunzione aumenta, che può aumentare le correnti di fuga o ridurre le tensioni di soglia, portando ad una maggiore dissipazione di potenza e un ulteriore aumento della temperatura.

Meccanismi accelerati di invecchiamento e guasto

Una modalità comune di guasto è il cavo di sollevamento del filo di legame causato da cicli termici ripetuti e l'espansione differenziale tra i fili di alluminio e la die silicio. Un altro è la stanchezza saldante nei strati di pressofusione e substrato, che aumenta la resistenza termica e peggiora il fattore di auto-riscaldamento.

Misurazione e monitoraggio della temperatura di giunzione

La misurazione diretta tramite termocoppie integrate è impraticabile nei dispositivi di produzione, quindi vengono utilizzati metodi indiretti. La caduta di tensione in avanti di un diodo a bassa corrente, la tensione di soglia di gate di un MOSFET, o la tensione di stato di un IGBT a una corrente di calibrazione forniscono parametri elettrici sensibili alla temperatura (TSEP).

Strategie di gestione termica

L'efficace gestione termica è lo strumento primario per mantenere le prestazioni e l'affidabilità del dispositivo. L'obiettivo è quello di ridurre al minimo la resistenza termica di giunzione-ambient e mantenere la temperatura di giunzione ben al di sotto del massimo nominale, tipicamente 150 °C per il silicio e 175 °C-200 °C per i dispositivi SiC e GaN.

Tecniche di raffreddamento passivo

I dissipatori di calore sono l'elemento di raffreddamento passivo più comune, la loro efficacia dipende dalla conducibilità termica del materiale (alluminio, rame o compositi avanzati), dall'area superficiale e dalle condizioni di flusso d'aria. I lavandini termici finlandesi aumentano l'area di superficie convettiva, mentre i tubi di calore possono trasferire il calore dal dispositivo a un radiatore remoto.

Sistemi di raffreddamento attivi

Per applicazioni ad alta potenza, il raffreddamento ad aria forzata con ventilatori o soffiatori fornisce un trasferimento di calore superiore rispetto alla convezione naturale. I sistemi di raffreddamento a liquido, comprese le piastre fredde e il raffreddamento ad immersione, possono raggiungere resistenze termiche ancora più basse. In inverter di trazione del veicolo elettrico, il raffreddamento diretto dei moduli IGBT con fluidi dielettrici è comune.

Materiali e imballaggi avanzati

Il pacchetto semiconduttore svolge un ruolo fondamentale nella gestione termica. Il legamento a clip e la sinterizzazione argentata stanno sostituendo i tradizionali legami di filo di alluminio per una minore resistenza elettrica e termica. I substrati realizzati in rame con legatura diretta (DBC) su nitruro di alluminio o nitruro di silicio offrono elevata conducibilità termica e coefficienti di espansione termica corrispondenti per ridurre lo stress.

Implicazioni per il design di sistema

Gli ingegneri devono eseguire simulazioni termiche utilizzando l'analisi degli elementi finiti o dinamiche di fluido computazionale per prevedere le distribuzioni della temperatura. Le linee guida di denunce fornite dai produttori devono essere seguite in modo conservativo. Ad esempio, l'utilizzo di un IGBT a 80 % della sua corrente nominale a 85 °C ambiente può migliorare l'affidabilità evitando la fatica del ciclismo termico.

Margine di degrado e sicurezza

La deratura comporta l'utilizzo di un dispositivo al di sotto dei suoi valori massimi assoluti per fornire un margine di sicurezza. Le raccomandazioni comuni di deratura includono la riduzione della temperatura di giunzione non superiore all'80% del punteggio massimo, limitando la tensione all'80% del V(BR)]], e mantenendo le correnti di picco inferiori al 75% del valore nominale.

Simulazione e modellazione

Gli strumenti di co-isolamento termico-elettrico permettono ai progettisti di prevedere con precisione l'interazione tra perdite elettriche e risposta termica. I modelli SPICE incorporano parametri dipendente dalla temperatura (come RDS(on)](T), V]]]]]](T), e I condizioni di calore consentono di dissipare[

Conclusioni

Le variazioni di temperatura influiscono profondamente sulle proprietà elettriche dei dispositivi elettronici di potenza, influenzando la conducibilità, le correnti di dispersione, le tensioni di rottura, la velocità di commutazione e l'affidabilità a lungo termine.