WYNIKI POMIARÓW PARAMETRÓW TERMICZNYCH TRANZYSTORA SiC JFET

Transkrypt

1 Kamil Bargieł, Damian Bisewski, Janusz Zarębski, Ewelina Szarmach Akademia Morska w Gdyni WYNIKI POMIARÓW PARAMETRÓW TERMICZNYCH TRANZYSTORA SiC JFET W pracy zaprezentowano wyniki pomiarów rezystancji termicznej oraz przejściowej impedancji termicznej tranzystora JFET mocy, wykonanego z węglika krzemu o symbolu. Pomiary przeprowadzono z wykorzystaniem opracowanego w Katedrze Elektroniki Morskiej komputerowego systemu pomiarowego. Zbadano wpływ temperatury otoczenia oraz mocy cieplnej wydzielanej w rozważanym przyrządzie półprzewodnikowym na wartości rezystancji termicznej złącze-otoczenie, jak i wybranych parametrów występujących w modelu przejściowej impedancji termicznej. Słowa kluczowe: tranzystor JFET, SiC JFET, parametry termiczne, węglik krzemu. WSTĘP Tranzystory mocy JFET (Junction Field-Effect Transistor) stanowią grupę przyrządów półprzewodnikowych często stosowanych w układach przetwarzania energii elektrycznej jako elementy kluczujące. W ostatnim czasie na rynku pojawiła się duża liczba przyrządów półprzewodnikowych, wykonanych z węglika krzemu (SiC), w tym również tranzystorów JFET, legitymujących się na ogół polepszonymi w stosunku do przyrządów krzemowych dopuszczalnymi wartościami wybranych parametrów elektrycznych i termicznych. W latach 28 2 firma Semisouth [9] oferowała w sprzedaży komercyjnej dwa typy rozważanych tranzystorów, wykonanych z węglika krzemu, natomiast obecnie na rynku dostępnych jest w sumie osiem typów tych tranzystorów, wyprodukowanych przez Infineon oraz United Silicon Carbide. Jak wynika z literatury przedmiotu [8,, 2], istotnym zjawiskiem zachodzącym w przyrządach półprzewodnikowych jest zjawisko samonagrzewania, skutkujące wzrostem temperatury wnętrza przyrządów ponad temperaturę otoczenia w wyniku wydzielania mocy cieplnej w tych przyrządach. Z kolei wzrost temperatury wnętrza w istotny sposób wpływa na parametry oraz charakterystyki przyrządu półprzewodnikowego. Do scharakteryzowania właściwości termicznych przyrządów półprzewodnikowych stosowane są parametry termiczne: rezystancja termiczna oraz przejściowa impedancja termiczna [8,, 2]. Popularnymi i chętnie stosowanymi metodami pomiarów parametrów termicznych są elektryczne metody impulsowe [4, 8, ]. Pomiary parametrów termicznych są realizowane z wykorzystaniem opracowanego w Katedrze Elektroniki Morskiej

2 58 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 95, listopad 26 komputerowego systemu pomiarowego, bazującego na impulsowej metodzie pomiaru z pracy [4]. Budowa oraz zasada działania systemu pomiarowego została szczegółowo opisana w pracach [2, 7, 4]. Z kolei przydatność oraz uniwersalność komputerowego systemu pomiarowego została wielokrotnie potwierdzona przy pomiarach parametrów termicznych różnych rodzajów przyrządów półprzewodnikowych, np. diody p-n [4], diody Schottky ego [5], tranzystora bipolarnego [], tranzystora MESFET [2, ] oraz innych elementów i układów scalonych [7, ]. Korzystając z wymienionego wyżej systemu komputerowego, wykonano pomiary rezystancji termicznej oraz przejściowej impedancji termicznej tranzystora JFET, wykonanego z węglika krzemu o symbolu firmy Semisouth. Określono wpływ temperatury otoczenia oraz mocy cieplnej wydzielanej w badanym elemencie na wartości jego parametrów termicznych. Wyznaczono wartości parametrów występujących w modelu przejściowej impedancji termicznej.. DEFINICJE PARAMETRÓW TERMICZNYCH Podstawowymi parametrami charakteryzującymi właściwości termiczne elementu półprzewodnikowego są rezystancja termiczna oraz przejściowa impedancja termiczna [8,, 2]. Rezystancja termiczna R th między wnętrzem a otoczeniem zdefiniowana jest jako stosunek nadwyżki temperatury wnętrza T j elementu ponad temperaturę otoczenia T a, do wydzielanej w elemencie mocy P, będącej przyczyną tej nadwyżki temperatury. Jest ona wyrażona wzorem [8,, 2]: R T Ta () th j a j P Z kolei przejściową impedancję termiczną elementu elektronicznego definiuje się jako odpowiedź termiczną elementu na pobudzenie mocą w postaci uskoku Heaviside a. Zgodnie z tym wydzielana w elemencie moc elektryczna o wartości t t p H P (2) powoduje wzrost temperatury wnętrza ponad temperaturę otoczenia T(t), a przejściowa impedancja termiczna złącze-otoczenie wyrażona jest wzorem Z thj t t t p t T T j Ta a t () p H Popularny i często stosowany model przejściowej impedancji termicznej elementu półprzewodnikowego ma postać wzoru Z th t R th H t a i exp (4) i i

3 K. Bargieł, D. Bisewski, J. Zarębski, E. Szarmach, Wyniki pomiarów parametrów termicznych 59 w którym rezystancja termiczna R th Ztht t równa, natomiast τ i to i-ta termiczna stała czasowa [8,, 2]., suma składników wagowych a i jest 2. WYNIKI POMIARÓW Przeprowadzono pomiary parametrów termicznych tranzystora SiC-JFET o symbolu (SemiSouth) pracującego bez dołączonego radiatora [9]. Według danych katalogowych [9], udostępnionych przez producenta, rozważany tranzystor może pracować z dopuszczalną wartością napięcia dren-źródło wynoszącą aż 2 V oraz prądem drenu nieprzekraczającym 2 A, przy czym maksymalna temperatura wnętrza T j tranzystora nie powinna przekraczać 75C. Wykonano szereg pomiarów czasowych przebiegów temperatury wnętrza badanego tranzystora (krzywe chłodzenia) z wykorzystaniem wspomnianego komputerowego systemu pomiarowego [2, 7, 4]. W kolejnym etapie na podstawie tych przebiegów wyznaczono wartości parametrów termicznych badanego przyrządu półprzewodnikowego. Przykładowo, na rysunkach pokazano zmierzone czasowe przebiegi temperatury wnętrza badanego tranzystora dla różnych wartości mocy cieplnych, wydzielanych w tranzystorze w trzech temperaturach otoczenia. T j [ C] P =4,4W T a = 25 C 2 P =2,4W P =,9W 4 P =,55W Rys.. Przebiegi Tj(t) tranzystora w temperaturze Ta = 25C Fig.. The waveforms of Tj(t) for transistor at Ta=25 C

4 6 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 95, listopad 26 T j [ C] P =,28W 2 P =2,7W T a = 6 C P =,92W 4 P =,9W Rys. 2. Przebiegi Tj(t) tranzystora w temperaturze Ta = 6C Fig. 2. The waveforms of Tj(t) for transistor at Ta=6 C T j [ C] P =2,2W T a = 9 C 2 P =,5W P =,2W 4 P =,6W 5 P =,9W Rys.. Przebiegi Tj(t) tranzystora w temperaturze Ta = 9C Fig.. The waveforms of Tj(t) for transistor at Ta=9 C Jak widać, temperatura wnętrza w stanie termicznie ustalonym zależy silnie od mocy cieplnej wydzielanej w badanym tranzystorze. Dla tranzystora pracującego w temperaturze pokojowej (rys. ) moc cieplna o wartości około,5 W powoduje wzrost temperatury wnętrza do wartości około 5ºC, natomiast tranzystor pracujący bez radiatora z mocą cieplną, wynoszącą około 4 W, osiąga temperaturę wnętrza zbliżoną do jego katalogowej wartości maksymalnej (75ºC). W przypadku wzrostu temperatury otoczenia do wartości T a = 9ºC (rys. ) katalogowa dopuszczalna temperatura wnętrza jest osiągana przez badany tranzystor przy mocy cieplnej wynoszącej zaledwie 2,2 W.

5 K. Bargieł, D. Bisewski, J. Zarębski, E. Szarmach, Wyniki pomiarów parametrów termicznych 6 Na rysunkach 4 6 pokazano przykładowe przebiegi przejściowej impedancji termicznej rozważanego w pracy tranzystora pracującego bez radiatora w trzech temperaturach otoczenia, uzyskane na podstawie krzywych chłodzenia tego elementu z rysunków. Wartości chwilowe Z thj-a(t = t P) przejściowej impedancji termicznej złącze-otoczenie z rysunków 4 6 obliczono, korzystając ze wzoru: Z th j Tj t Tj ( t tp ) t tp (5) a P gdzie: T j(t = ) wartość temperatury wnętrza odczytana z odpowiedniej krzywej chodzenia dla czasu t = s, T j(t = t P) wartość temperatury wnętrza odczytana z odpowiedniej krzywej chodzenia dla czasu t = t P. Z thj-a [ C/W ] P =,55W P =,9W P =2,4W 4 P =4,4W T a = 25 C 2 4,,, Rys. 4. Przebiegi Zthj-a(t) tranzystora w temperaturze Ta = 25C Fig. 4. The waveforms of Zthj-a(t) for transistor at Ta=25 C Jak widać (rys. 4 6), we wszystkich analizowanych temperaturach otoczenia wzrost mocy cieplnej wydzielanej w tranzystorze, skutkujący wzrostem temperatury poszczególnych elementów struktury przyrządu [8,, 4], powoduje spadek wartości rezystancji termicznej złącze-otoczenie, odpowiadającej wartości asympto- R Z t ). tycznej przejściowej impedancji termicznej ( thja thja t Na przykład w temperaturze pokojowej (rys. 4) wzrost mocy cieplnej z około,5 W do 4 W powoduje spadek wartości rezystancji termicznej złącze-otoczenie nawet o około 2%. Stan termicznie ustalony jest osiągany w badanym tranzystorze po upływie około 2 sekund.

6 62 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 95, listopad 26 Z thj-a [ C/W ] 4 2 P =,9W 2 P =,92W P =2,7W 4 P =,28W T a = 6 C 2 4,,, Rys. 5. Przebiegi Zthj-a(t) tranzystora w temperaturze Ta = 6C Fig. 5. The waveforms of Zthj-a(t) for transistor at Ta=6 C Z thj-a [ C/W ] P =,6W P =,2W P =,5W P =2,2W T a = 9 C 2 4,,, Rys. 6. Przebiegi Zthj-a(t) tranzystora w temperaturze Ta = 9C Fig. 6. The waveforms of Zthj-a(t) for transistor at Ta=9 C Wykorzystując opracowany w Katedrze Elektroniki Morskiej program komputerowy ESTYM [6], wyznaczono wartości parametrów występujących w wyrażonym wzorem (4) modelu przejściowej impedancji termicznej. Szczegółowe tabele zawierające otrzymane wartości rezystancji termicznej, a także współczynników wagowych i termicznych stałych czasowych w równaniu Z thj-a(t) wszystkich pomiarów realizowanych dla badanych tranzystorów, przedstawiono w pracy [].

7 K. Bargieł, D. Bisewski, J. Zarębski, E. Szarmach, Wyniki pomiarów parametrów termicznych 6 Obliczone, z uwzględnieniem wszystkich rozważanych w badaniach temperatur otoczenia oraz mocy cieplnych, średnie wartości poszczególnych termicznych stałych czasowych dla badanego tranzystora zaprezentowano na rysunku 7. Na rysunku 7 widać, że program komputerowy ESTYM wyznaczył średnio sześć termicznych stałych czasowych w modelu przejściowej impedancji termicznej dla rozważanego tranzystora. Pierwsza termiczna stała czasowa, wynosząca w przybliżeniu 2 s, jest związana z transportem ciepła z obudowy tranzystora do otoczenia, natomiast szósta termiczna stała czasowa o najkrótszym czasie trwania (około 2 µs) najprawdopodobniej wiąże się z transportem ciepła z wnętrza struktury półprzewodnikowej do obudowy.,,,,,, T a <25;9> C p H :,9-4,4 W Rys. 7. Średnie wartości poszczególnych termicznych stałych czasowych dla tranzystora Fig. 7. Average values of individual thermal time constants for transistor Zbadano wpływ temperatury otoczenia oraz mocy cieplnej na wartości poszczególnych termicznych stałych czasowych oraz współczynników wagowych, występujących w modelu przejściowej impedancji termicznej (wzór 4) dla badanego tranzystora. Na przykład, na rysunkach 8 i 9 pokazano wpływ temperatury otoczenia na pierwszy współczynnik wagowy a oraz pierwszą termiczną stałą czasową τ przy stałej wartości mocy cieplnej, wynoszącej w przybliżeniu P =,5 W. Jak widać z rysunków 9 i, wzrost temperatury otoczenia o około 75C powoduje blisko dwukrotny wzrost wartości parametru a oraz spadek o około 5% wartości parametru τ, przy czym w obu przypadkach są to zależności nieliniowe.

8 64 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 95, listopad 26,2 p H =,5 W a,8,6,4, T a [ C] Rys. 8. Charakterystyka a(ta) dla badanego tranzystora przy P =,5 W Fig. 8. The dependence of a(ta) for the tested transistor at P=.5 W 2 τ 5 p H =,5 W T a [ C] Rys. 9. Charakterystyka τ(ta) dla badanego tranzystora przy P =,5 W Fig. 9. The dependence of τ(ta) for the tested transistor at P=.5 W Wyznaczone za pomocą programu ESTYM wartości rezystancji termicznej złącze-otoczenie rozważanego tranzystora w funkcji mocy cieplnej w różnych temperaturach otoczenia pokazano na rysunku (punkty połączone linią przerywaną). Na tym rysunku linią ciągłą zaznaczono wyniki obliczeń wykonane w programie

9 K. Bargieł, D. Bisewski, J. Zarębski, E. Szarmach, Wyniki pomiarów parametrów termicznych 65 MS EXCEL na podstawie znanej z literatury przedmiotu [] zależności, modelującej wpływ mocy cieplnej oraz temperatury otoczenia na wartość rezystancji termicznej, co wyrażono wzorem: R thja P,T R T T T T log P p a th a a H (6) gdzie: R th wartość rezystancji termicznej złącze-otoczenie przy mocy cieplnej P = W, β temperaturowy współczynnik zmian parametru R th, α, γ, p H pozostałe parametry modelu. Wartości poszczególnych parametrów modelu, wyrażonego wzorem (6), dla badanego tranzystora umieszczono na rysunku. R thj-a [ C/W] T a = 25 C T a = 6 C T a = 9 C 2 4 P [W] R th = 6,4 o C/W β= 2, m o C - α = 7,9 γ=, o C- p H =, Rys.. Zależność Rthj-a(P) dla tranzystora Fig.. The dependence of Rthj-a(P) for transistor Jak widać na rysunku, uzyskano bardzo dobrą zgodność wyników pomiarów z wynikami obliczeń uzyskanymi dla zależności literaturowej. Wartość rezystancji termicznej złącze-otoczenie maleje zarówno ze wzrostem mocy cieplnej wydzielonej w elemencie, jak i ze wzrostem temperatury otoczenia. Przykładowo, wzrost mocy cieplnej o 2 W powoduje spadek wartości rezystancji termicznej o około 2% w temperaturze pokojowej i o ponad 6% w temperaturze 9C. A zatem wraz ze wzrostem zarówno temperatury wnętrza, jak i temperatury otoczenia każdego z tranzystorów, warunki oddawania ciepła do otoczenia ulegają polepszeniu.

10 66 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 95, listopad 26 PODSUMOWANIE W pracy przedstawiono wyniki pomiarów parametrów termicznych tranzystora JFET, wykonanego z węglika krzemu. Pomiary wykonano z wykorzystaniem opracowanego w Katedrze Elektroniki Morskiej komputerowego systemu pomiarowego [2, 7, 4], bazującego na metodzie impulsowej prezentowanej w literaturze przedmiotu [4]. Z przedstawionych wyników badań widać, że wartość rezystancji termicznej złącze-otoczenie silnie zależy od mocy cieplnej wydzielanej w elemencie oraz temperatury otoczenia. Za pomocą literaturowej zależności zamodelowano wpływ mocy cieplnej oraz temperatury otoczenia na wartość rezystancji termicznej. Uzyskano bardzo dobrą zgodność wyników pomiarów i obliczeń. Wyniki badań oraz wyznaczone zależności rezystancji termicznej złączeotoczenie w funkcji mocy cieplnej i temperatury otoczenia zostaną wykorzystane do opracowania elektrotermicznego modelu tranzystora JFET. LITERATURA. Bargieł K., Wyniki pomiarów parametrów termicznych tranzystora SiC-JFET typu, Raport Katedry Elektroniki Morskiej nr NB./25, Gdynia Bisewski D., Dąbrowski J., Zarębski J., Komputerowy system do pomiaru przejściowej impedancji termicznej półprzewodnikowych elementów mocy, XIII Konferencja Zastosowania Komputerów w Elektrotechnice ZKwE, Poznań 28, s. 4.. Bisewski D., Zarębski J., Measurements of transient thermal impedance of MESFETs, X International Conference Modern Problem of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science, TCSET 28, Slavsko 28, s Blackburn D.L., Oettinger F.F., Transient Thermal Response Measurement of Power Transistors, IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumentation, Vol. IECI-22, 975, No. 2, s Dąbrowski J. Modelowanie diod Schottky ego mocy z uwzględnieniem efektów termicznych, Prace Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia Górecki K., Zarębski J., Estymacja parametrów modelu termicznego elementów półprzewodnikowych, Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji, 26, nr, s Górecki K., Zarębski J., System mikrokomputerowy do pomiaru parametrów termicznych elementów półprzewodnikowych i układów scalonych, Metrologia i Systemy Pomiarowe, 2, nr 4, s Janke W., Zjawiska termiczne w elementach i układach półprzewodnikowych, WNT, Warszawa Karta katalogowa tranzystora JFET, R6_rev...pdf.. Napieralski A., Zarębski J., Górecki K., Furmańczyk M., Pomiar rezystancji i przejściowej impedancji termicznej inteligentnego układu scalonego MOS mocy, Zeszyty Naukowe Wyższej Szkoły Morskiej w Gdyni, 998, nr 4.

11 K. Bargieł, D. Bisewski, J. Zarębski, E. Szarmach, Wyniki pomiarów parametrów termicznych 67. Zarębski J., Modelowanie, symulacja i pomiary przebiegów elektrotermicznych w elementach półprzewodnikowych i układach elektronicznych, Prace Naukowe Wyższej Szkoły Morskiej w Gdyni, Gdynia Zarębski J., Tranzystory MOS mocy, Fundacja Rozwoju Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia 27.. Zarębski J., Górecki K., Mikrokomputerowy system pomiarowy do wyznaczania rezystancji termicznej tranzystora bipolarnego, Pomiary. Automatyka. Kontrola, 99, nr 9, s Zarębski J., Górecki K., System mikrokomputerowy do pomiaru rezystancji termicznej elementów półprzewodnikowych metodami impulsowymi, Metrologia i Systemy Pomiarowe, 99, nr 6, s MEASUREMENTS RESULTS OF THERMAL PARAMETERS OF SIC JFET Summary In the paper results of measurements of the thermal parameters of silicon carbide JFET, are presented. Measurements were performed by computer-aided measurement system, based on literature pulsedelectrical method. The influences of the ambient temperature and the dissipated power on the thermal parameters of the transistor were examined. Keywords: JFET, thermal parameters, silicon carbide.