三端双向晶闸管的功耗计算和Tjmax 预测
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上网时间：2008-10-11作者：Nick Ham NXP 公司(原飞利浦半导体公司)来源：电子设计信息网
中心论题：
三端双向晶闸管功耗的计算。
Vo Vo和和Rs Rs的计算方法。
的计算方法。
Tjmax Tjmax的计算方法。
的计算方法。
设计案例介绍。
解决方案：
由已知数据表和曲线计算功耗。
制作一个放大的制作一个放大的IT IT /VT VT曲线复印件以提高曲线复印件以提高曲线复印件以提高Vo Vo Vo和和Rs Rs的计算精确度。
的计算精确度。
选用选用BTH151S-650R BTH151S-650R BTH151S-650R保证重复过载条件提供高度重复电涌。
保证重复过载条件提供高度重复电涌。
三端双向晶闸管在工作时消耗大量电能，因而其散热设计非常重要。
散热设计主要涉及到功率、热阻和温度升高等几个计算阶段。
本文介绍的是设计计算以及设计案例，其数据主要来自实际应用和三端双向晶闸管的数据表。
三端双向晶闸管功耗的计算
三端双向晶闸管功耗受负载电流影响。
假设电流为全正弦波电流(全波传导)，即表示在三端双向晶闸管功耗最大的条件下，其功耗最易于计算，如式1所示：
P =Vo ×IT(AVE)+Rs ×IT(RMS)2(1)
其中，P 为三端双向晶闸管功率；Vo 为三端双向晶闸管拐点电压，通过IT/VT 曲线得到该值；IT(AVE)为平均负载电流，其计算公式如式2所示：
IT(AVE)=2××IT(RMS)/?(2)
其中，Rs 为三端双向晶闸管斜率电阻，通过查IT/VT 曲线得到该值；IT(RMS)为RMS 负载电流,通过测量得到该值。
这里计算前提为全波传导和正弦负载电流，即最不利的功耗情况。
半波传导的IT(RMS)和IT(AVE)的计算公式为：IT(AVE)=2x Ipk x T /?x 2T
=Ipk /?(3)
IT(RMS)2=(Ipk2x T)/(2x 2T)
=Ipk2/4∴IT(RMS)=Ipk /2(4)
Vo 和Rs 的计算
如果数据表中未提供Vo 和Rs 值，则设计师须自己算出数据。
具体方法如下：
1.制作一个放大的IT /VT 曲线复印件以提高精确度；
2.在三端双向晶闸管的额定电流处作VT@Tjmax曲线最大斜率的切线；
3.切线与VT轴相交的点就是Vo；
4.切线的斜率VT/IT就是Rs。
Tjmax的计算
Tjmax受环境温度、三端双向晶闸管功耗和结点与环境之间的热阻影响。
本文将只考虑稳态条件。
因为在短期瞬变条件中，要考虑瞬变热阻抗(Zth)。
此值始终小于稳态热阻(Rth)，且其瞬变条件要复杂得多。
Tj=Ta+P×Rth j-a(5)
其中，Tj为结点温度；Ta为环境温度；P为三端双向晶闸管功率；Rth j-a为结点至环境热阻(鸆/W)。
关于Rth j-a的分析
热阻类似于电阻，总电阻可以分为若干串联的小电阻。
对于主流封装(TO220)，Rth j-a由以下热阻组成：
Rth j-a=Rth j-mb+Rth mb-hs+Rth hs-a(6)
其中，Rth j-mb为结点至安装底座热阻。
受晶圆尺寸影响，此值是固定的，取决于设备。
有关准确值，请参阅相关数据表。
Rth mb-hs为安装底座至散热器热阻。
该值取决于安装方法——如是否有导热脂、安装螺钉或夹子、隔热垫片材料等，此值由设备制造商控制。
Rth hs-a为散热器至环境热阻。
此值取决于应用，并由设备制造商单独控制。
由于热阻值取决于封装类型和隔离金属热参考点的实用性，指定热阻的方式有一些注意事项，具体如下：
1.对于没有安装金属底座的塑料封装，因为散热器是最近的金属参考点，故用单规格的Rth j-hs代替“Rth j-mb+Rth mb-hs”。
2.对于未使用散热器的低功率塑料封装，只指定Rth j-lead，因为引脚是最近的金属参考点。
大部分热量都是通过引脚传导到PCB，少量热量直接从封装辐射到环境中。
3.对于一些没有安装底座但有焊点的表面贴装封装，使用Rth j-sp代替Rth j-mb。
设计案例
冰箱压缩机的热阻计算
电子恒温器使用三端双向晶闸管来控制冰箱压缩机的开关切换。
本文将计算使三端双向晶闸管的结点温度保持在其125℃的Tjmax内所允许的最大散热器热阻。
a设计参数
稳态电动机电流=1.4A；
最大浪涌电流=17A(正半周期的峰值)；
电源=230V；
最高环境温度为40℃；
表面贴装三端双向晶闸管要求直接焊接到控制器PCB上，从带有20mA电流吸收器功能的微控制器来触发三端双向晶闸管
栅极。
b设计计算
本文使用8A Hi-Com三端双向晶闸管来处理电感负荷和启动电流。
本设计采用由DPAK封装的三端双向晶闸管BTA208S-600E，其10mA的IGT非常适合用于微控制器的驱动功能。
由式2得，IT(AVE)=2××IT(RMS)/?=2××1.4/?1.26A。
根据数据表，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。
重新整理该等式可得：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。
根据数据表，Rth j-mb=2℃/W，需要找到Rth mb-a。
重新整理该等式可得：Rth mb-a=Rth j-a－Rth j-mb=51－2=49℃/W。
因为在本例中PCB是散热器，作为参考，此热阻可以使用面积500mm2的铜垫片获得。
由于紧靠三端双向晶闸管的其他非消耗性元件将会降低实际的热阻，而消耗功率的任何元件都将增加热阻。
因此，这对测量模型以发现真实散热性能非常重要。
电动工具的Tjmax预测
高功率电钻使用通用电刷电动机，其速度由半波相位控制电路控制。
计算SCR(硅可控整流器)中的最大功率消耗和计算散热器热阻都需要将结点温度保持在Tjmax以下。
a设计参数
正常运行时电动机峰值电流=5A；
最高环境温度为50℃；
在三端双向晶闸管开关中的安装需要表面贴装的三端双向晶闸管，SCR由电动机冷却风扇进行冷却。
b设计计算
为了给必须面对的重复过载条件提供高度重复电涌保证，本设计选用BTH151S-650R。
其额定电流为12A，采用SOT428(DPAK)封装。
由式3得，IT(AVE)=Ipk/?5/?1.59A。
由式4得，I T(RMS)=Ipk/2=5/2=2.5A。
根据数据表，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℃。
重新整理该等式可得：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。
根据数据表，Rth j-mb=1.8℃/W。
重新整理该等式可得：Rth mb-a=Rth j-a－Rth j-mb=39.9－1.8=38.1℃/W。
38℃/W的最大散热器热阻将Tj保持在125℃或更低。
此散热器热阻包括稳态条件且在少量气流通过开关模块时也很容易实现。