2章 用語と特性(車載) PDF [178KB]

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第 2 章
−
用語と特性
目次
ページ
1
用語説明
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2-2
2
車載用 IGBT モジュールの冷却性能
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2-4
本章では、車載用 IGBT モジュールに関する用語および特性について説明します。
2-1
第2章
1
用語と特性
用語説明
以下に、仕様書中等に使用されている様々な用語について説明します。
表2-1 最大定格(Maximum Ratings)
用語
コレクタ−エミッタ間電圧
(Collector-Emitter voltage)
ゲート−エミッタ間電圧
(Gate-Emitter voltage)
コレクタ電流
(Collector current)
最大損失
(Collector Power Dissipation)
接合部温度
(Junction temperature)
連続動作時接合部温度
(Operating Junction temperature)
冷却水温度
(Water temperature)
保存温度
(Storage temperature)
FWD−電流二乗時間積
(FWD−I2T)
FWD−尖頭サージ順電流
(FWD−IFSM)
絶縁耐圧
(Isolation voltage)
締付けトルク
(Screw Torque)
定義 及び、説明
(条件は各製品の仕様書を参照ください。)
記号
V CES
V GES
ゲート−エミッタ間を短絡した状態でコレクタ−エミッタ間に印加できる最大
電圧
コレクタ−エミッタ間を短絡した状態でゲート−エミッタ間に印加できる最大
電圧(通常 ±20V max.)
Ic
コレクタ電極に許容される最大直流電流
Ic pulse
コレクタ電極に許容される最大パルス電流
−Ic
内蔵ダイオードに許容される最大直流順電流
−Ic pulse
内蔵ダイオードに許容される最大パルス順電流
Pc
1素子当りのIGBTに許容される最大電力損失
Tj
素子に異常を引き起こさず動作できる最大チップ温度
(装置での最悪状態において、この値を超えない設計が必要)
Tj(op)
素子を連続的に動作させることが可能な接合部の温度
Twin
冷却する為の冷媒の温度(冷媒流路の入り口側の冷媒温度、詳し
くは第3章を参照ください)
T stg
電極に電気的負荷をかけずに保存、又は輸送できる温度範囲
I2 t
素子破壊しない範囲で許容される過電流のジュール積分値。過電流
は商用正弦半波(50,60Hz),1サイクルで規定
素子破壊しない範囲で許容される1サイクル以上の商用正弦半波
(50,60Hz)電流のピーク値
電極を全て短絡した状態で、電極と冷却体取付面間に許容され
る正弦波電圧の最大実効値
IFSM
V iso
Mounting
所定のネジで素子と冷却体(ヒートシンク)を締付ける際の最大トルク値
Terminal
所定のネジで端子と外部配線を締付ける際の最大トルク値
注:最大定格として記載されている値は、いかなる場合もこれを超えてはなりません。
2-2
第2章
用語と特性
表2-2 電気特性(Electrical characteristics)
動特性
(詳細は図2-5を参照ください)
静特性
用語
記号
コレクタ−エミッタ間遮断電流
(Zero gate voltage Collector current)
ICES
ゲート−エミッタ間漏れ電流
(Gate-Emitter leakage current)
IGES
ゲート−エミッタ間しきい値電圧
(Gate-Emitter threshold voltage)
VGE(th)
コレクタ−エミッタ間飽和電圧
(Collector-Emitter saturation voltage)
VCE(sat)
入力容量
(Input capacitance)
出力容量
(Output capacitance)
帰還容量
(Reverse transfer capacitance)
ダイオード順電圧
(Forward on voltage)
ターンオン時間
(Turn-on time)
Cies
ゲート(以下G)-エミッタ(以下E)間を短絡した状態で、コレクタ(以下C)-E間
に指定の電圧を印加したときのC-E間の漏れ電流
C-E間を短絡した状態で、G-E間に指定の電圧を印加したときの
G-E間の漏れ電流
指定C-E間電流(以下、コレクタ電流)とC-E間電圧(以下、VCE)におけ
るG-E間電圧(以下、VGE)(C-E間に微小電流が流れ始めるVGE
値、IGBTがオンし始めるVGEの尺度として用いられます)
Coes
Cres
E接地で、G-E間に指定の電圧を印加した時のC-G間容量
VF
内蔵ダイオードに指定の順方向電流(通常定格電流)を流したときの
順方向電圧(VCE(sat)と同じく損失を計算する際に重要な値)
IGBTのターンオン時にVGEが0Vに上昇してから、VCEが最大値の
10%に下降するまでの時間
IGBTのターンオン時にコレクタ電流が最大値の10%に上昇した時点から、
VCEが最大値の10%に下降するまでの時間
IGBTのターンオン時にコレクタ電流が最大値の10%に上昇した時点から、
90%に到達するまでの時間
IGBTのターンオフ時にVGEが最大値の90%に下降した時点から、コレク
タ電流が下降する電流の接線上で10%に下降するまでの時間
IGBTのターンオフ時にコレクタ電流が最大値の90%から、下降する電流の
接線上で10%に下降するまでの時間
ton
tr(i)
ターンオフ時間
(Turn-off time)
立下り時間
(Fall time)
逆回復時間
(Reverse recovery time)
逆回復電流
(Reverse recovery current)
逆バイアス安全動作領域
(Reverse Bias Safe Operation Area)
ゲート抵抗
(Gate-resistance)
ゲート充電電荷量
(Gate charge capacity)
指定のVGEにおいて定格のコレクタ電流を流した時のVCE値(通常、
VGE =15V,損失を計算する際に重要な値)
C-E間を交流的に短絡した状態で、G-E間及びC-E間に指定の電
圧を印加した時のG-E間容量
G-E間を交流的に短絡した状態で、G-E間及びC-E間に指定の電
圧を印加した時のC-E間容量
tr
立上り時間
(Raise time)
定義 及び、説明
(条件は各製品の仕様書を参照ください。)
toff
tf
trr
内蔵ダイオードの逆回復電流が消滅するまでに要する時間
Irr (Irp)
内蔵ダイオードの順方向電流遮断時に逆方向に流れる電流のピーク値
RBSOA
ターンオフ時に指定の条件にてIGBTを遮断できる電流と電圧の領域
(この領域を越えて使用すると素子が破壊する可能性が有ります)
Rg
ゲート直列抵抗値(標準値はスイッチング時間の測定条件に記載)
Qg
IGBTをターン・オンさせるためにG-E間に充電される電荷量
表2-3 熱特性(Thermal resistance characteristics)
用語
熱抵抗
(Thermal resistance)
記号
定義 及び、説明
(条件は各製品の仕様書を参照ください。)
Rth(j-f)
IGBTあるいは内蔵ダイオードのチップ・フィンベース間の熱抵抗
Rth(f-win)
ウォータージャケットに冷却水を流した状態でのフィンベース−冷却水間の熱
抵抗
表2-4 サーミスタ特性(Thermistor characteristics)
用語
サーミスタ抵抗
(Resistance)
B値
(B value)
記号
定義 及び、説明
(条件は各製品の仕様書を参照ください。)
Resistance
指定温度でのサーミスタ端子間の電気抵抗値
B
抵抗−温度特性において任意の2温度間での抵抗変化の大きさ
を表す定数
2-3
第2章
2
用語と特性
車載用 IGBT モジュールの冷却性能
2.1 冷却器(ウォータージャケット)
車載用 IGBT モジュールは銅ベースと冷却フィンを一体化して従来のサーマルグリス層を無くすことで
冷却効率を高めた直接水冷構造を採用しています。この直接水冷構造は同ベースと一体化した冷却フィン
に直接冷却水を当てることで冷却効率を高めており、冷媒の流路を有する冷却器(ウォータージャケット)
が必要です。ウォータージャケットに設けられる流路や冷却フィンとウォータージャケット間のクリアラ
ンス等により冷却性能を低下させる恐れがある為、ウォータージャケットの設計はとても重要です。
ウォータージャケットの設計に関する詳細は第 3 章放熱設計方法をご参照下さい。
Transient Thermal Resistance (max.)
過渡熱抵抗特性
1
温度上昇の計算及びウォータージャケットの選
定に用いる過渡熱抵抗特性を図 2-1 に示します(こ
の特性は IGBT,FWD 共に 1 素子当りの特性です)。
この熱抵抗とは熱解析等でよく使われる特性で、
電気抵抗のオームの法則に酷似した公式で定義さ
れます。
温度差⊿ T [ ℃ ]
= 熱抵抗 Rth [ ℃ / W ] × エネルギー ( 損失 )[W ]
Thermal resistance: Rth(j-win) [oC/W]
2.2
FWD
IGBT
0.1
0.01
0.001
車載用 IGBT モジュールでは熱抵抗は IGBT,
0.01
0.1
1
10
Time [sec]
FWD の Tj を計算する際に使用します。
図 2-1 過渡熱抵抗特性
(詳細は第3章 放熱設計方法をご参照ください。)
Rth(j-win) vs Twin
12
0.400
冷却水温度による冷却性能
Flow rate : 10L/min
車載用 IGBT モジュールの冷却に用いる冷却水の温
くなると圧力損失は低下しますが、接合部温度は高く
なりますので、設計の際には注意が必要です。代表例
として、冷媒に LLC(ロングライフクーラント)50%水
Rth(j-win)[℃/W]
度は熱抵抗には影響しません。一方、冷却水温度が高
11
0.350
9
0.250
7
0.150
6
Pressure loss
0.100
20
30
40
50
60
70
Twin[℃]
図 2-2 冷媒温度依存性
2-4
8
IGBT_Rth
0.200
溶液を使用した場合の熱抵抗に対する冷媒温度依存
性を図 2-2 に示しますのでご参考下さい。
10
FWD_Rth
0.300
80
5
90
Pressure loss[KPa]
2.3
第2章
冷却水流量による冷却性能と圧力損失
冷却水温度と同様、冷却水流量も冷却性能に影響
Rth(j-win) , Pressure loss vs Flow rate
します。流量が多くなることにより冷却性能は向上
0.400
Twin : 60℃
しますが、一方で流路の出入口間の圧力損失が大き
内のチップ温度のバラつきが大きくなりますので、
システム内のポンプ性能や流路設計を最適化する必
要があります。
16
14
0.300
12
FWD_Rth
0.250
10
8
0.200
代表例として、熱抵抗に対する冷却水流量依存性
0.150
とその時の圧力損失を図 2-3 に示します。設計の際
0.100
にはご参考下さい。
18
0.350
Rth(j-win)[℃/W]
くなります。圧力損失が大きくなると、モジュール
20
Pressure loss
6
IGBT_Rth
4
2
0
0
5
10
Flow rate[L/min]
15
20
図 2-3 熱抵抗と圧力損失の流量依存性
2-5
Plessure loss[KPa]
2.4
用語と特性
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