中心論題：
- 三端雙向晶閘管功耗的計算。
- Vo和Rs的計算方法。
- Tjmax的計算方法。
- 設(shè)計案例介紹。
解決方案：
- 由已知數(shù)據(jù)表和曲線計算功耗。
- 制作一個放大的IT / VT曲線復(fù)印件以提高Vo和Rs的計算精確度。
- 選用BTH151S-650R保證重復(fù)過載條件提供高度重復(fù)電涌。
三端雙向晶閘管在工作時消耗大量電能，因而其散熱設(shè)計非常重要。散熱設(shè)計主要涉及到功率、熱阻和溫度升高等幾個計算階段。本文介紹的是設(shè)計計算以及設(shè)計案例，其數(shù)據(jù)主要來自實際應(yīng)用和三端雙向晶閘管的數(shù)據(jù)表。
三端雙向晶閘管功耗的計算
三端雙向晶閘管功耗受負載電流影響。假設(shè)電流為全正弦波電流(全波傳導(dǎo))，即表示在三端雙向晶閘管功耗最大的條件下，其功耗最易于計算，如式1所示：
P = Vo × IT(AVE) + Rs × IT(RMS)2 (1)
其中，P為三端雙向晶閘管功率；Vo為三端雙向晶閘管拐點電壓，通過IT/VT曲線得到該值；IT(AVE)為平均負載電流，其計算公式如式2所示：
IT(AVE) = 2 ×× IT(RMS) /? (2)
其中，Rs為三端雙向晶閘管斜率電阻，通過查IT/VT曲線得到該值；IT(RMS)為RMS負載電流,通過測量得到該值。
這里計算前提為全波傳導(dǎo)和正弦負載電流，即最不利的功耗情況。半波傳導(dǎo)的IT(RMS)和IT(AVE)的計算公式為：
IT(AVE) = 2 x Ipk x T / ?x 2T
= Ipk /? (3)
IT(RMS)2 = (Ipk2 x T) / (2 x 2T)
= Ipk2 / 4∴IT(RMS) = Ipk / 2 (4)
Vo和Rs的計算
如果數(shù)據(jù)表中未提供Vo和Rs值，則設(shè)計師須自己算出數(shù)據(jù)。具體方法如下：
1. 制作一個放大的IT / VT曲線復(fù)印件以提高精確度；
2. 在三端雙向晶閘管的額定電流處作VT @ Tjmax曲線最大斜率的切線；
3. 切線與VT軸相交的點就是Vo；
4. 切線的斜率VT / IT 就是Rs。
Tjmax的計算
Tjmax受環(huán)境溫度、三端雙向晶閘管功耗和結(jié)點與環(huán)境之間的熱阻影響。本文將只考慮穩(wěn)態(tài)條件。因為在短期瞬變條件中，要考慮瞬變熱阻抗(Zth)。此值始終小于穩(wěn)態(tài)熱阻(Rth)，且其瞬變條件要復(fù)雜得多。
Tj = Ta + P × Rth j-a (5)
其中，Tj為結(jié)點溫度；Ta為環(huán)境溫度；P為三端雙向晶閘管功率；Rth j-a為結(jié)點至環(huán)境熱阻(鸆/W)。
關(guān)于Rth j-a的分析
熱阻類似于電阻，總電阻可以分為若干串聯(lián)的小電阻。對于主流封裝(TO220)，Rth j-a由以下熱阻組成：
Rth j-a = Rth j-mb + Rth mb-hs + Rth hs-a (6)
其中，Rth j-mb為結(jié)點至安裝底座熱阻。受晶圓尺寸影響，此值是固定的，取決于設(shè)備。有關(guān)準(zhǔn)確值，請參閱相關(guān)數(shù)據(jù)表。
Rth mb-hs為安裝底座至散熱器熱阻。該值取決于安裝方法——如是否有導(dǎo)熱脂、安裝螺釘或夾子、隔熱墊片材料等，此值由設(shè)備制造商控制。
Rth hs-a為散熱器至環(huán)境熱阻。此值取決于應(yīng)用，并由設(shè)備制造商單獨控制。
由于熱阻值取決于封裝類型和隔離金屬熱參考點的實用性，指定熱阻的方式有一些注意事項，具體如下：
1. 對于沒有安裝金屬底座的塑料封裝，因為散熱器是最近的金屬參考點，故用單規(guī)格的Rth j-hs代替“Rth j-mb + Rth mb-hs”。
2. 對于未使用散熱器的低功率塑料封裝，只指定Rth j-lead，因為引腳是最近的金屬參考點。大部分熱量都是通過引腳傳導(dǎo)到PCB，少量熱量直接從封裝輻射到環(huán)境中。
3. 對于一些沒有安裝底座但有焊點的表面貼裝封裝，使用Rth j-sp代替Rth j-mb。
設(shè)計案例
冰箱壓縮機的熱阻計算
電子恒溫器使用三端雙向晶閘管來控制冰箱壓縮機的開關(guān)切換。本文將計算使三端雙向晶閘管的結(jié)點溫度保持在其125℃的Tjmax內(nèi)所允許的最大散熱器熱阻。
a 設(shè)計參數(shù)
穩(wěn)態(tài)電動機電流 = 1.4A；
最大浪涌電流 = 17A(正半周期的峰值)；
電源 = 230V；
最高環(huán)境溫度為40℃；
表面貼裝三端雙向晶閘管要求直接焊接到控制器PCB上，從帶有20mA電流吸收器功能的微控制器來觸發(fā)三端雙向晶閘管柵極。
b 設(shè)計計算
本文使用8A Hi-Com三端雙向晶閘管來處理電感負荷和啟動電流。本設(shè)計采用由DPAK封裝的三端雙向晶閘管BTA208S-600E，其10mA的IGT非常適合用于微控制器的驅(qū)動功能。
由式2得，IT(AVE)= 2×× IT(RMS) /?= 2 ××1.4 / ? 1.26A。
根據(jù)數(shù)據(jù)表，Vo=1.264V，Rs =0.0378健?由式1得，P= Vo × IT(AVE) + Rs × IT(RMS)2
= 1.264 ×1.26 + 0.0378 ×1.42= 1.67W。
由式5得，Tjmax = Ta + P ×Rth j-a。
已知Tjmax = 125℃, Ta = 40℃，P = 1.67W。
重新整理該等式可得：Rth j-a= (Tj － Ta) / P= (125－40) / 1.67= 51℃/W。
由式6得，Rth j-a = Rth j-mb + Rth mb-hs + Rth hs-a。
根據(jù)數(shù)據(jù)表，Rth j-mb = 2℃/W，需要找到Rth mb-a。
重新整理該等式可得：Rth mb-a= Rth j-a －Rth j-mb= 51－2= 49℃/W。
因為在本例中PCB是散熱器，作為參考，此熱阻可以使用面積500mm2的銅墊片獲得。
由于緊靠三端雙向晶閘管的其他非消耗性元件將會降低實際的熱阻，而消耗功率的任何元件都將增加熱阻。因此，這對測量模型以發(fā)現(xiàn)真實散熱性能非常重要。
電動工具的Tjmax預(yù)測
高功率電鉆使用通用電刷電動機，其速度由半波相位控制電路控制。計算SCR(硅可控整流器)中的最大功率消耗和計算散熱器熱阻都需要將結(jié)點溫度保持在Tjmax以下。
a 設(shè)計參數(shù)
正常運行時電動機峰值電流 = 5A；
最高環(huán)境溫度為50℃；
在三端雙向晶閘管開關(guān)中的安裝需要表面貼裝的三端雙向晶閘管，SCR 由電動機冷卻風(fēng)扇進行冷卻。
b 設(shè)計計算
為了給必須面對的重復(fù)過載條件提供高度重復(fù)電涌保證，本設(shè)計選用BTH151S-650R。其額定電流為12A ，采用SOT428(DPAK)封裝。
由式3得，IT(AVE)= Ipk /? 5 /? 1.59A。
由式4得，I T(RMS)= Ipk / 2= 5 / 2= 2.5A。
根據(jù)數(shù)據(jù)表，Vo = 1.06V 和 Rs = 0.0304健?由式1得，P=Vo× IT(AVE) + Rs × IT(RMS)2= 1.06×1.59 + 0.0304× 2.52= 1.88W。
使用式5，Tj = Ta + P×Rth j-a。
已知Ta = 50℃和P = 1.88W，在本例中，Tj = Tjmax = 125℃。
重新整理該等式可得：Rth j-a= (Tj－Ta) / P= (125－50) / 1.88= 39.9℃/W。
由式6得，Rth j-a = Rth j-mb + Rth mb-hs + Rth hs-a。
根據(jù)數(shù)據(jù)表，Rth j-mb = 1.8℃/W。
重新整理該等式可得：Rth mb-a= Rth j-a －Rth j-mb= 39.9－1.8= 38.1℃/W。
38℃/W的最大散熱器熱阻將Tj保持在125℃或更低。此散熱器熱阻包括穩(wěn)態(tài)條件且在少量氣流通過開關(guān)模塊時也很容易實現(xiàn)。
三端雙向晶閘管功耗的計算
三端雙向晶閘管功耗受負載電流影響。假設(shè)電流為全正弦波電流(全波傳導(dǎo))，即表示在三端雙向晶閘管功耗最大的條件下，其功耗最易于計算，如式1所示：
P = Vo × IT(AVE) + Rs × IT(RMS)2 (1)
其中，P為三端雙向晶閘管功率；Vo為三端雙向晶閘管拐點電壓，通過IT/VT曲線得到該值；IT(AVE)為平均負載電流，其計算公式如式2所示：
IT(AVE) = 2 ×× IT(RMS) /? (2)
其中，Rs為三端雙向晶閘管斜率電阻，通過查IT/VT曲線得到該值；IT(RMS)為RMS負載電流,通過測量得到該值。
這里計算前提為全波傳導(dǎo)和正弦負載電流，即最不利的功耗情況。半波傳導(dǎo)的IT(RMS)和IT(AVE)的計算公式為：
IT(AVE) = 2 x Ipk x T / ?x 2T
= Ipk /? (3)
IT(RMS)2 = (Ipk2 x T) / (2 x 2T)
= Ipk2 / 4∴IT(RMS) = Ipk / 2 (4)
Vo和Rs的計算
如果數(shù)據(jù)表中未提供Vo和Rs值，則設(shè)計師須自己算出數(shù)據(jù)。具體方法如下：
1. 制作一個放大的IT / VT曲線復(fù)印件以提高精確度；
2. 在三端雙向晶閘管的額定電流處作VT @ Tjmax曲線最大斜率的切線；
3. 切線與VT軸相交的點就是Vo；
4. 切線的斜率VT / IT 就是Rs。
Tjmax的計算
Tjmax受環(huán)境溫度、三端雙向晶閘管功耗和結(jié)點與環(huán)境之間的熱阻影響。本文將只考慮穩(wěn)態(tài)條件。因為在短期瞬變條件中，要考慮瞬變熱阻抗(Zth)。此值始終小于穩(wěn)態(tài)熱阻(Rth)，且其瞬變條件要復(fù)雜得多。
Tj = Ta + P × Rth j-a (5)
其中，Tj為結(jié)點溫度；Ta為環(huán)境溫度；P為三端雙向晶閘管功率；Rth j-a為結(jié)點至環(huán)境熱阻(鸆/W)。
關(guān)于Rth j-a的分析
熱阻類似于電阻，總電阻可以分為若干串聯(lián)的小電阻。對于主流封裝(TO220)，Rth j-a由以下熱阻組成：
Rth j-a = Rth j-mb + Rth mb-hs + Rth hs-a (6)
其中，Rth j-mb為結(jié)點至安裝底座熱阻。受晶圓尺寸影響，此值是固定的，取決于設(shè)備。有關(guān)準(zhǔn)確值，請參閱相關(guān)數(shù)據(jù)表。
Rth mb-hs為安裝底座至散熱器熱阻。該值取決于安裝方法——如是否有導(dǎo)熱脂、安裝螺釘或夾子、隔熱墊片材料等，此值由設(shè)備制造商控制。
Rth hs-a為散熱器至環(huán)境熱阻。此值取決于應(yīng)用，并由設(shè)備制造商單獨控制。
由于熱阻值取決于封裝類型和隔離金屬熱參考點的實用性，指定熱阻的方式有一些注意事項，具體如下：
1. 對于沒有安裝金屬底座的塑料封裝，因為散熱器是最近的金屬參考點，故用單規(guī)格的Rth j-hs代替“Rth j-mb + Rth mb-hs”。
2. 對于未使用散熱器的低功率塑料封裝，只指定Rth j-lead，因為引腳是最近的金屬參考點。大部分熱量都是通過引腳傳導(dǎo)到PCB，少量熱量直接從封裝輻射到環(huán)境中。
3. 對于一些沒有安裝底座但有焊點的表面貼裝封裝，使用Rth j-sp代替Rth j-mb。
設(shè)計案例
冰箱壓縮機的熱阻計算
電子恒溫器使用三端雙向晶閘管來控制冰箱壓縮機的開關(guān)切換。本文將計算使三端雙向晶閘管的結(jié)點溫度保持在其125℃的Tjmax內(nèi)所允許的最大散熱器熱阻。
a 設(shè)計參數(shù)
穩(wěn)態(tài)電動機電流 = 1.4A；
最大浪涌電流 = 17A(正半周期的峰值)；
電源 = 230V；
最高環(huán)境溫度為40℃；
表面貼裝三端雙向晶閘管要求直接焊接到控制器PCB上，從帶有20mA電流吸收器功能的微控制器來觸發(fā)三端雙向晶閘管柵極。
b 設(shè)計計算
本文使用8A Hi-Com三端雙向晶閘管來處理電感負荷和啟動電流。本設(shè)計采用由DPAK封裝的三端雙向晶閘管BTA208S-600E，其10mA的IGT非常適合用于微控制器的驅(qū)動功能。
由式2得，IT(AVE)= 2×× IT(RMS) /?= 2 ××1.4 / ? 1.26A。
根據(jù)數(shù)據(jù)表，Vo=1.264V，Rs =0.0378健?由式1得，P= Vo × IT(AVE) + Rs × IT(RMS)2
= 1.264 ×1.26 + 0.0378 ×1.42= 1.67W。
由式5得，Tjmax = Ta + P ×Rth j-a。
已知Tjmax = 125℃, Ta = 40℃，P = 1.67W。
重新整理該等式可得：Rth j-a= (Tj － Ta) / P= (125－40) / 1.67= 51℃/W。
由式6得，Rth j-a = Rth j-mb + Rth mb-hs + Rth hs-a。
根據(jù)數(shù)據(jù)表，Rth j-mb = 2℃/W，需要找到Rth mb-a。
重新整理該等式可得：Rth mb-a= Rth j-a －Rth j-mb= 51－2= 49℃/W。
因為在本例中PCB是散熱器，作為參考，此熱阻可以使用面積500mm2的銅墊片獲得。
由于緊靠三端雙向晶閘管的其他非消耗性元件將會降低實際的熱阻，而消耗功率的任何元件都將增加熱阻。因此，這對測量模型以發(fā)現(xiàn)真實散熱性能非常重要。
電動工具的Tjmax預(yù)測
高功率電鉆使用通用電刷電動機，其速度由半波相位控制電路控制。計算SCR(硅可控整流器)中的最大功率消耗和計算散熱器熱阻都需要將結(jié)點溫度保持在Tjmax以下。
a 設(shè)計參數(shù)
正常運行時電動機峰值電流 = 5A；
最高環(huán)境溫度為50℃；
在三端雙向晶閘管開關(guān)中的安裝需要表面貼裝的三端雙向晶閘管，SCR 由電動機冷卻風(fēng)扇進行冷卻。
b 設(shè)計計算
為了給必須面對的重復(fù)過載條件提供高度重復(fù)電涌保證，本設(shè)計選用BTH151S-650R。其額定電流為12A ，采用SOT428(DPAK)封裝。
由式3得，IT(AVE)= Ipk /? 5 /? 1.59A。
由式4得，I T(RMS)= Ipk / 2= 5 / 2= 2.5A。
根據(jù)數(shù)據(jù)表，Vo = 1.06V 和 Rs = 0.0304健?由式1得，P=Vo× IT(AVE) + Rs × IT(RMS)2= 1.06×1.59 + 0.0304× 2.52= 1.88W。
使用式5，Tj = Ta + P×Rth j-a。
已知Ta = 50℃和P = 1.88W，在本例中，Tj = Tjmax = 125℃。
重新整理該等式可得：Rth j-a= (Tj－Ta) / P= (125－50) / 1.88= 39.9℃/W。
由式6得，Rth j-a = Rth j-mb + Rth mb-hs + Rth hs-a。
根據(jù)數(shù)據(jù)表，Rth j-mb = 1.8℃/W。
重新整理該等式可得：Rth mb-a= Rth j-a －Rth j-mb= 39.9－1.8= 38.1℃/W。
38℃/W的最大散熱器熱阻將Tj保持在125℃或更低。此散熱器熱阻包括穩(wěn)態(tài)條件且在少量氣流通過開關(guān)模塊時也很容易實現(xiàn)。
