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1 Betrieb elektronischer Bauelemente - Hochschule Landshut

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Prof. Dr. T. Wolf
Hochschule Landshut
Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
1 Betrieb elektronischer Bauelemente
1.1 Gehäuse und Normwerte
Elektronische Bauelemente werden in Massenfertigung von spezialisierten
Herstellern produziert und nur bei großen Mengen direkt an den Endverbraucher
verkauft, sonst über sogenannte Distributoren, z.B. Bürklin, RS Components, Farnell,
usw.
Bauelemente gibt es in zwei unterschiedlichen Technologien:
(s. Wikipedia: Liste_von_Halbleitergehäusen)
 bedrahtete Bauelemente (Through Hole Devices)
Vorteile: stabile Befestigung, gute Wärmeableitung, einfache Montage
Anwendung: billige Leiterplatten, schwere Baulemente, z.B. Trafo, Bauelemente
mit Zugbelastung, z.B. Stecker, Buchsen, Schalter, Bauelemente mit großer
Verlustleistung (Leistungselektronik)
heute der Spezialfall
 SMD's (Surface Mount Devices)
Vorteile: kompakte Maße, geringe Zuleitungsinduktivität, Montage komplett
automatisierbar
Anwendung: Bauelemente mit vielen Anschlüssen, Bauelemente mit rel. geringer
Verlustleistung, Leiterplatten mit hoher Packungsdichte, Betrieb bei hohen
Frequenzen
heute Standard
Größenangaben bei SMD-Gehäusen:
xxyy
xx: Länge in 1/100 inch bzw. 1/10 mm
yy: Breite in 1/100 inch bzw. 1/10 mm
(1/100 inch  0.25mm)
Beispiel: Bauform 0603 bzw. 1608
1-1
tw 18.10.2014 EBE_1.doc
Prof. Dr. T. Wolf
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Elektronische Bauelemente
Studiengang Elektro- und Informationstechnik
Passive Bauelemente mit einem charakteristischen Wert (Widerstände,
Kondensatoren, Spulen, etc.), werden nicht mit jedem beliebigen Wert hergestellt,
sondern nur mit Werten aus sog. Normwertreihen. Die Nummer n der Normwertreihe
En gibt die Anzahl der Werte pro Dekade an, die sich jeweils um einen Faktor n 10
unterscheiden. Die maximale Toleranz in den Reihen ist so gewählt, dass sich die
Toleranzbereiche benachbarter Werte ungefähr berühren:
E6
20%
E12
10%
E24
5%
E48
2%
E96
1%
E6
20%
E12
10%
E24
5%
E48
2%
E96
1%
E6
20%
E12
10%
E24
5%
E48
2%
E96
1%
1,0
1,0
1,0
1,00
1,00
1,02
1,05
1,07
1,10
1,13
1,15
1,18
1,21
1,24
1,27
1,30
1,33
1,37
1,40
1,43
1,47
1,50
1,54
1,58
1,62
1,65
1,69
1,74
1,78
1,82
1,87
1,91
1,96
2,00
2,05
2,10
2,2
2,2
2,2
2,15
2,15
2,21
2,26
2,32
2,37
2,43
2,49
2,55
2,61
2,67
2,74
2,80
2,87
2,94
3,01
3,09
3,16
3,24
3,32
3,40
3,48
3,57
3,65
3,74
3,83
3,92
4,02
4,12
4,22
4,32
4,42
4,53
4,7
4,7
4,7
4,64
4,64
4,75
4,87
4,99
5,11
5,23
5,36
5,49
5,62
5,76
5,90
6,04
6,19
6,34
6,49
6,65
6,81
6,98
7,15
7,32
7,50
7,68
7,87
8,06
8,25
8,45
8,66
8,87
9,09
9,31
9,53
9,76
1,05
1,1
1,10
1,15
1,2
1,2
1,21
1,27
1,3
1,33
1,40
1,5
1,5
1,5
1,47
1,54
1,6
1,62
1,69
1,8
1,8
1,78
1,87
2,0
1,96
2,05
2,26
2,4
2,37
2,49
2,7
2,7
2,61
2,74
3,0
2,87
3,01
3,3
3,3
3,3
3,16
3,32
3,6
3,48
3,65
3,9
3,9
3,83
4,02
4,3
4,22
4,42
1-2
4,87
5,1
5,11
5,36
5,6
5,6
5,62
5,90
6,2
6,19
6,49
6,8
6,8
6,8
6,81
7,15
7,5
7,50
7,87
8,2
8,2
8,25
8,66
9,1
9,09
9,53
tw 18.10.2014 EBE_1.doc
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Elektronische Bauelemente
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1.2 Zuverlässigkeit
Die Zuverlässigkeit elektronischer Bauelemente wird zum einen durch den Aufwand
beim Bauelementehersteller bestimmt:
 Entwicklungsreife
 verwendete Materialien
 Kontrolle des Herstellungsprozesses
 Lagerung
 Verpackung und Transport
Zum anderen ist aber auch der Anwender für die Zuverlässigkeit verantwortlich
durch:
 Vermeidung maximaler Grenzwerte (Überdimensionierung)
 Schutz vor Umwelteinflüssen
 Überlastungsschutz
Da alle diese Maßnahmen Kosten verursachen, steigen die Bauelementekosten bei
höheren Ansprüchen an die Zuverlässigkeit. Andererseits steigen die Betriebskosten
der Schaltung bei einem vorzeitigen Ausfall des Bauelementes. Insgesamt ergibt sich
ein Kostenminimum für die Schaltung bei einer bestimmten Zuverlässigkeit
(quantifiziert durch eine Fehler- oder Ausfallwahrscheinlichkeit):
Kosten
Gesamtkosten
Herstellungskosten
Betriebskosten
Zuverlässigkeit
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1.2.1 Fehlerwahrscheinlichkeit
Wenn ein Gerätehersteller eine große Anzahl von Bauelementen erwirbt, muss er mit
dem Bauelementelieferanten eine bestimmte maximale Fehlerwahrscheinlichkeit
(Qualität) vereinbaren. Natürlich kann er vom Lieferanten verlangen, dass dieser alle
Bauelemente testet und auf ihre Übereinstimmung mit den Spezifikationen überprüft.
Vor allem bei passiven Bauelementen würde dies aber zu unnötig hohen Kosten
führen. Deshalb wird eine bestimmte Fehlerwahrscheinlichkeit und ein
Abnahmemodus vereinbart, bei dem aufgrund von Stichproben die tatsächliche
Fehlerrate überprüft wird. Je nach Ergebnis wird die Lieferung akzeptiert oder
zurückgewiesen.
Die Fehlerwahrscheinlichkeit fBE der Bauelemente bestimmt zusammen mit der
Fehlerwahrscheinlichkeit fBS der Bestückung und mit der Fehlerwahrscheinlichkeit fL
der Lötung die Fehlerwahrscheinlichkeit FBG der Baugruppe:
Da die Wahrscheinlichkeit für ein korrektes Bauelement w BE  1  fBE , für eine
korrekte Bestückung w BS  1  fBS , für eine korrekte Lötung w L  1  fL und für eine
korrekte Baugruppe WBG  1  FBG ist, gilt nach den Gesetzen der Wahrscheinlichkeitsrechnung:
WBG  w BE NBE  w BS NBE  w L NL
NBE: Anzahl der in der Baugruppe enthaltenen Bauel.
NL: Anzahl der in der Baugruppe enthaltenen Lötungen
Da die Fehlerwahrscheinlichkeiten in der Praxis sehr klein sind, können folgende
Näherungen verwendet werden:
w BE NBE  1 fBE 
w BS NBE  1 fBS 
wL
NL
 1 fL 
NL
NBE
 1 NBE  fBE
NBE
 1 NBE  fBS
 1 NL  fL
Da in der Praxis auch die Terme N  f wesentlich kleiner als 1 sind, kann man eine
weitere Näherung benutzen:
WBG  1  NBE  fBE   1  NBE  fBS   1  NL  fL   1  NBE  fBE  NBE  fBS  NL  fL
Damit kommt man insgesamt zu einer einfachen Formel für die Fehlerwahrscheinlichkeit FBG einer Baugruppe:
FBG  NBE  fBE  NBE  fBS  NL  fL
Da die Kosten beim Einbau einer defekten Baugruppe in ein Gerät relativ hoch sind,
wird man in der Regel die Baugruppen vor dem Einbau testen. Wenn die
Fehlerwahrscheinlichkeit der Baugruppe allerdings niedrig genug ist, kann man auch
hier mit statistischen Methoden arbeiten.
Das Ziel ist immer die Minimierung der Gesamtkosten
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1.2.2 Ausfallwahrscheinlichkeit
Auch elektronische Bauelemente unterliegen einem Verschleiss, der zu einem
Ausfall des Bauelementes führen kann. Die sogenannte Ausfallrate  gibt an, welcher
Bruchteil N von N Bauelementen im Mittel während eines Zeitintervalls t ausfällt:

N N
t
Die Ausfallrate hat die Benennung pro Zeiteinheit und wird in Datenblättern häufig in
-9
fit (failure in time) angegeben (1fit  10 /h).
Der Kehrwert der Ausfallrate wird als MTBF (mean time between failure) bezeichnet:
MTBF  1/
Wenn man die Ausfallrate über der Betriebszeit aufträgt ergibt sich die sog.
Badewannenkurve:

Verschleissausfälle
Frühausfälle
Zufallsausfälle
t
Am Beginn der Betriebszeit ist die Ausfallrate durch Frühausfälle erhöht. Ursachen
können sein:
 Herstellungsfehler
 Schädigung beim Einbau (thermisch, mechanisch, Electrostatic Discharge (ESD)
Frühausfälle können durch einen burn-in ausgesondert werden.
Danach sinkt die Ausfallrate auf einen konstanten Wert. Diese Ausfälle sind zufällig
und meist durch Materialveränderung (Diffusion, Migration, Grenzschichtveränderung) bedingt. Da diese Prozesse thermisch aktiviert werden, hängt die
Ausfallrate in diesem Bereich stark von der Temperatur ab.
Irgendwann steigt die Ausfallrate wieder an. Diese sog. Verschleissausfälle werden
z.B. durch Materialermüdung und Korrosion verursacht.
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Aus der Definition der Ausfallrate kann man durch Lösen einer Differentialgleichung
die Wahrscheinlichkeit berechnen, mit der ein Bauelement ausfällt:
N
   N
t

dN
   N
dt

N (t )  N(0)  e  t
N(t) gibt die Anzahl von Bauelementen an, die von insgesamt N(0) Bauelementen
nach einer Zeit t noch intakt sind.
Wahrscheinlichkeit, dass ein Element in der Zeit t intakt bleibt:
w
N(t )
 e t
N (0)
Daraus ergibt sich die exakte Formel für die Ausfallwahrscheinlichkeit f: f  1  e  t
Wenn das Produkt t  1 ist, kann man die e-Funktion nähern: e  t  1    t
Damit erhält man eine Näherungsformel für die Ausfallwahrscheinlichkeit f: f    t
Mit der Ausfallwahrscheinlichkeit kann man genauso rechnen wie mit der
Fehlerwahrscheinlichkeit im letzten Abschnitt. Die Ausfallwahrscheinlichkeit F einer
Baugruppe bestehend aus N1 Bauelementen mit Ausfallrate 1 und N2 Bauelementen
mit Ausfallrate 2 ergibt sich demnach zu:
F  N1  f1  N2  f2  N1  1  t  N2  2  t
Analog zur Ausfallrate eines Bauelementes kann man eine effektive Ausfallrate eff
für die Baugruppe so definieren, dass F  eff  t gilt. Wenn man dies mit dem
vorhergehenden Ergebnis vergleicht, erhält man für eff:
eff  N1  1  N2  2
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1.3 Grenzwerte und Derating
1.3.1 Safe Operating Area
Beim Betrieb elektronischer Bauelemente dürfen bestimmte Grenzwerte nicht
überschritten werden, die den Datenblättern entnommen werden müssen.
Spannung < Umax
Wenn die Spannung zu hoch wird, kann die Feldstärke so groß werden, dass es zu
einem elektrischen Durchbruch kommt. Dabei werden Ladungsträger, die
normalerweise fest an Atome gebunden sind, losgerissen. Es fließt ein hoher
Durchbruchstrom, der zur Zerstörung des Bauelementes führt.
Die Spannungsgrenze ist besonders bei Bauelementen kritisch, bei denen
normalerweise nur ein sehr kleiner Strom fließt, wie z.B. Kondensatoren und
Halbleiterbauelemente im Sperrbetrieb.
Typ. Durchbruchfeldstärken liegen bei 10-100 kV/mm (Luft: 2.4kV/mm). Da die
Feldstärke sich aus Spannung/Abstand der Elektroden berechnet, kann Umax je nach
den geometrischen Dimensionen des Bauelementes in sehr weiten Bereichen von
einigen Volt bei mikroelektronischen Bauelementen bis zu einigen 1000 Volt bei
Leistungsbauelementen variieren.
Strom < Imax
Wenn der Strom zu hoch wird, kann das Leitermaterial sich so stark erwärmen, dass
es schmilzt. Die kritische Größe ist hier die Stromdichte Strom/Querschnittsfläche
2
des Leiters. Sie liegt z.B. für einen massiven Draht bei einigen A/mm und nimmt bei
kleineren Dimensionen wegen der größeren Oberfläche und der damit verbundenen
besseren Wärmeableitung zu. Bei sehr kleinen Abmessungen wie sie bei
hochintegrierten Bauelementen auftreten, kann auch die sog. Elektromigration
(Transport von Leitermaterial durch den Strom) eine Rolle spielen. Auch der
maximale Strom variiert in weiten Grenzen von einigen mA bei mikroelektronischen
Bauelementen bis zu einigen kA bei Leistungsbauelementen.
Die Stromgrenze ist besonders bei Bauelementen kritisch, die kleine Widerstände
besitzen, z.B. Spulen und Halbleiterbauelemente im Durchlassbetrieb.
Verlustleistung < PVmax
Die Verlustleistung PV wird im Bauelement in Wärme umgesetzt, die zu einem
Temperaturanstieg im aktiven Bereich des Bauelementes führt. Wenn dadurch eine
bestimmte Maximaltemperatur überschritten wird, kann es zur thermischen
Zerstörung des Bauelementes kommen. Die Maximaltemperatur ist besonders bei
Halbleiterbauelementen kritisch, da es z.B. bei Silizium bereits bei 125-200°C zu
irreversiblen Schäden des pn-Überganges (Junction) kommt. Die maximale
Verlustleistung PVmax muss aus der im Datenblatt angegebenen Maximaltemperatur
im Inneren des Bauelementes (bei Halbleitern meist als TJmax bezeichnet), der
Umgebungstemperatur (meist als TA bzw. TU bezeichnet) und den Kühlmaßnahmen
(Kühlkörper, Lüfter, etc.) berechnet werden (s. nächster Abschnitt).
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PVmax kann zwischen einigen 10mW bei mikroelektronischen Bauelementen und
einigen 100W bei Leistungsbauelementen liegen. Da die Verlustleistung eines
Bauelementes das Produkt aus Spannung und Strom ist, muss für die Spannung U
am Bauelement und für den Strom I durch das Bauelement UI < PVmax gelten.
Von den drei Grenzwerten Umax, Imax und PVmax wird im I-U-Diagramm eine Fläche
definiert, die beim Betrieb nicht oder allenfalls nur sehr kurzzeitig verlassen werden
darf. Diese Fläche heisst Safe-Operating-Area (SOA):
Linearer Maßstab:
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Doppelt-Logarithmischer Maßstab:
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1.3.2 Maximale Verlustleistung beim Betrieb ohne Kühlkörper
Wenn das Bauelement für einen Betrieb ohne Kühlkörper vorgesehen ist, ist im
Datenblatt (Datasheet) neben der Maximaltemperatur (meist als TJmax bezeichnet)
A
DS
eine Leistung PDS bei einer Umgebungstemperatur (Ambienttemperature) TA
DS
angegeben. Diese Leistung ist für Umgebungstemperaturen unterhalb von TA die
maximale Verlustleistung:
DS
A
PV max  PDS , wenn TA  TA
Bei höheren Umgebungstemperaturen ist PVmax kleiner als dieser Wert (Derating).
Die Umgebungstemperatur ist in der Praxis nicht einfach Raumtemperatur, sondern
die Temperatur, die sich nach genügend langer Zeit in der Umgebung des
Bauelementes einstellt. Da die Bauelemente oft aus zwingenden oder ästhetischen
Gründen (Design) an ungünstigen Orten eingebaut werden (z.B. die Fensterhebersteuerung in der Tür eines Kfz, die Scheinwerferverstellung im Scheinwerfergehäuse usw.) kann die Umgebungstemperatur erheblich höher als Raumtemperatur
sein. Die Umgebungstemperatur kann durch größere Hohlräume mit entsprechend
größeren Oberflächen, durch Kühlschlitze, Lüfter usw. abgesenkt werden. In jedem
Fall muss jedoch für TA der worst-case angenommen werden, d.h. zum Beispiel
direkte Sonnenbestrahlung einer Autotür (TA = 90°C).
Wie bereits ausgeführt, ist die Temperaturerhöhung im Bauelement das eigentlich
kritische an der Verlustleistung. Die Temperaturerhöhung T des Bauelementes
gegenüber der Umgebung durch eine Wärmeleistung Pth kann aus der Wärmeleitungsgleichung ermittelt werden:
T  R thJA  Pth
Dabei ist RthJA der Wärmewiderstand zwischen dem aktiven Bereich des
Bauelementes (Junction), in dem die Wärmeleistung entsteht, und der Umgebung
(Ambient) (typ. 100K/W). Diese Gleichung ist analog zum ohmschen Gesetz in der
Elektrizitätslehre: U  RI
Pth  PV
TJ
T
RthJA
TA
T  TJ - TA: Temperaturerhöhung
Pth: Wärmeleistung  Verlustleistung PV
RthJA: Therm. Widerstand JunctionUmgebung
J: Junction, Sperrschicht, aktiver Bereich
A: Ambient, Umgebung
Mit Hilfe dieser Gleichung kann man die JunctionTemperatur bei einer gegebenen Verlustleistung berechnen:
TJ  TA  R thJA  PV
Oder man kann die maximale Verlustleistung berechnen, indem man die maximal
zulässige Junction-Temperatur TJmax einsetzt:
T
 TA
DS
PV max  J max
, wenn TA  TA
R thJA
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Wenn man die maximale Verlustleistung über der Umgebungstemperatur aufträgt,
DS
A
erhält man unterhalb von TA eine waagrechte Gerade mit PVmax  PDS . Oberhalb
DS
von TA nimmt die maximale Verlustleistung nach dieser Formel mit der Steigung
-1/RthJA ab und schneidet die Temperaturachse bei TJmax (Deratingkurve):
PVmax
A
PDS
0
DS
TA
TJmax
TA
Man kann entweder die maximale Verlustleistung aus dieser Deratingkurve
entnehmen oder man benutzt die Formel.
Wenn der dazu benötigte thermische Widerstand RthJA nicht im Datenblatt
angegeben ist, kann er aus der Steigung der Deratingkurve berechnet werden, wenn
DS
A
TJmax, TA und PDS angegeben sind:
R thJA 
DS
TJ max  TA
PDS
DS
A
A
Wenn der aus TJmax, TA
und PDS berechnete Wert für RthJA nicht mit dem
angegebenen Wert für RthJA übereinstimmt, muss der größere Wert benutzt werden.
1-11
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1.3.3 Maximale Verlustleistung beim Betrieb mit Kühlkörper
In diesem Fall ist der thermische Widerstand zwischen dem aktiven Bereich des
Bauelementes und der Umgebung eine Reihenschaltung aus dem thermischen
Widerstand RthJC zwischen dem aktiven Bereich des Bauelementes und dem
Gehäuse (Case) und aus dem thermischen Widerstand RthCA zwischen Gehäuse und
Umgebung (  thermischer Widerstand des Kühlkörpers):
Pth  PV
TJ
RthJC
T
TC
RthCA
TA
TC  TA  R thCA  PV
T  TJ - TA: Temperaturerhöhung
Pth: Wärmeleistung  Verlustleistung PV
RthJC: Therm. Widerstand JunctionGehäuse
RthCA: Therm. Widerstand des Kühlkörpers
J: Junction, Sperrschicht, aktiver Bereich
C: Case, Gehäuse
A: Ambient, Umgebung
TJ  TA  R thJC  R thCA   PV
TJ  TC  R thJC  PV
Da nur der thermische Widerstand RthJC zwischen aktivem Bereich und Gehäuse
unabhängig vom Anwender ist, werden bei Bauelementen, die für einen Betrieb mit
Kühlkörper vorgesehen sind, alle Angaben im Datenblatt auf die Gehäusetemperatur
TC bezogen. Neben der Maximaltemperatur TJmax ist im Datenblatt eine Leistung
C
DS
angegeben. Diese Leistung ist für
PDS bei einer Gehäusetemperatur TC
DS
Gehäusetemperaturen unterhalb von TC die maximale Verlustleistung:
DS
PV max  PDS , wenn TC  TC
C
Bei höheren Gehäusetemperaturen muss PVmax reduziert werden (Derating). Da die
Gehäusetemperatur immer höher als die Umgebungstemperatur ist, ist dies praktisch
immer der Fall.
Genau wie beim Betrieb ohne Kühlkörper erhält man die maximale Verlustleistung
PVmax, indem man die maximal zulässige Junction-Temperatur TJmax in die
Wärmeleitungsgleichung einsetzt:
PV max 
TJ max  TC
DS
, wenn TC  TC
R thJC
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Wenn man die maximale Verlustleistung über der Gehäusetemperatur aufträgt, erhält
DS
C
man unterhalb von TC eine waagrechte Gerade mit PVmax  PDS . Oberhalb von
DS
nimmt die maximale Verlustleistung nach dieser Formel mit der Steigung
TC
-1/RthJC ab und schneidet die Temperaturachse bei TJmax (Deratingkurve):
PVmax
C
PDS
0
DS
TC
TJmax
TC
Im Gegensatz zum Betrieb ohne Kühlkörper kann man aus der Formel und aus
dieser Kurve die maximale Verlustleistung nicht direkt entnehmen, da die
Gehäusetemperatur in der Praxis nicht bekannt ist.
DS
C
Man kann aber RthJC berechnen, wenn TJmax, TC und PDS angegeben sind:
R thJC 
TJ max  TC
PDS
DS
C
Typ. Werte für RthJC liegen zwischen 100K/W für niedrige Leistungen bis 0.05K/W für
Leistungsbauelemente.
In Reihe zum thermischen Widerstand RthJC liegt der thermische Widerstand RthCA
des Kühlkörpers. Dieser Widerstand kann vom Anwender beeinflusst werden und
hängt vom Material, vom Querschnittsprofil, von der Länge der Kühlrippen und von
der Montage (Wärmeleitpaste, Glimmerplättchen) ab. Werte für RthCA können aus
Tabellen entnommen werden. Die maximale Verlustleistung bei Verwendung eines
bestimmten Kühlkörpers kann berechnet werden, indem man für die Reihenschaltung
die Summe aus RthJC und RthCA in die Wärmeleitungsgleichung einsetzt:
PV max 
TJ max  TA
R thJC  R thCA
C
In keinem Fall darf PVmax jedoch den Wert PDS überschreiten (kann rechnerisch
passieren, wenn eine sehr niedrige Umgebungstemperatur TA eingesetzt wird).
Umgekehrt kann mit dieser Formel der Maximalwert von RthCA berechnet werden, der
bei einer bestimmten maximalen Verlustleistung nicht überschritten werden darf.
Damit kann dann ein geeigneter Kühlkörper ausgewählt oder dimensioniert werden:
R thCA 
TJ max  TA
 R thJC
PV max
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1.3.4 Maximale Verlustleistung bei Impulsbelastung
In modernen leistungselektronischen Schaltungen tritt die Verlustleistung PV oft nur
periodisch während einer kurzen Zeit tp auf. Da alle an der Wärmeleitung beteiligten
Materialien auch eine Wärmekapazität besitzen, ist die Erhöhung der
Junctiontemperatur TJ während der Zeit tp kleiner als wenn die Verlustleistung
dauernd anfallen würde. Dadurch kann die Verlustleistung im Puls größer werden als
bei Dauerbetrieb, bevor die maximale Junctiontemperatur TJmax erreicht wird.
Prinzipiell müsste man die zeitabhängige Wärmeleitungsgleichung für die spezielle
Bauteilgeometrie und den zeitlichen Verlauf der Verlustleistung lösen, um die
Erhöhung der Junctiontemperatur zu ermitteln. Da dies in der Praxis viel zu
aufwendig ist, definiert man für einen rechteckförmigen Verlauf der Verlustleistung
eine sog. thermische Impedanz ZthJA bzw. ZthJC als Quotient aus der Erhöhung von
TJ über TA bzw. TC am Ende der Pulse im eingeschwungenen Zustand und der
P
Verlustleistung PV während des Pulses:
Die thermische Impedanz hängt natürlich von der Pulsdauer tp und von der Periode T
ab. Sie wird von den Herstellern messtechnisch bestimmt und im Datenblatt als
Kurvenschar in Abhängigkeit von tp mit dem Tastgrad D  tp/T als Parameter
angegeben.
1-14
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Prinzipieller Verlauf der thermischen Impedanz:
Der prinzipielle Verlauf ist relativ einfach zu verstehen:
Wenn die Pulsdauer tp wesentlich größer ist als die thermische Zeitkonstante des
Bauelementes, erreicht die Junctiontemperatur TJ den gleichen Wert, den sie auch
im Dauerbetrieb erreichen würde und somit nähert sich die thermische Impedanz
dem thermischen Widerstand im Dauerbetrieb an.
Wenn die Pulsdauer tp wesentlich kleiner ist als die thermische Zeitkonstante des
Bauelementes, ist die Erwärmung während eines einzelnen Pulses gering. Über viele
Pulse steigt die Junctiontemperatur auf einen Wert, der der mittleren Verlustleistung
entspricht und somit nähert sich die thermische Impedanz dem thermischen
Widerstand im Dauerbetrieb multipliziert mit dem Tastgrad D an.
Bei einem Einzelpuls bzw. so kleinem Tastgrad, dass sich das Bauelement nach
jedem Puls wieder vollständig abkühlt, steigt die Temperatur proportional zu tp an
und die thermische Impedanz nähert sich dem Wert tp/Cth an, wobei Cth die
Wärmekapazität des Junction-Bereiches ist.
P
Mit der thermischen Impedanz kann die Peak-Junction-Temperatur TJ
thermischer Pulsbelastung berechnet werden:
ohne Kühlkörper:
TJ  TA  Z thJA  PV
mit Kühlkörper:
TJ  TA  R thCA  t p T  PV  Z thJC  PV

P
P
bei
P
P
P
TC
Die thermische Impedanz des Kühlkörpers beträgt wegen seiner großen thermischen
Zeitkonstante in sehr guter Näherung R thCA  t p T .
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Da die Wärmeleitungsgleichung linear ist, kann eine Verlustleistung, die einen
P
komplizierteren Verlauf hat, in rechteckförmige Pulse mit Höhe PV1 und Breite tp1
P
bzw. PV2 und tp2 usw. zerlegt werden und die zugehörigen Anstiege der PeakP
P
Junction-Temperatur TJ1  TA , TJ2  TA , usw. können addiert werden:
ohne Kühlkörper: TJ  TA  Z thJA1  PV1  Z thJA 2  PV 2  
P
P
P
mit Kühlkörper:
TJ  TA  R thCA  t p1 T  PV1  Z thJC1  PV1  R thCA  t p 2 T  PV 2  Z thJC 2  PV 2  
P
P
P
P
P
Dies ist allerdings eine worst-case-Abschätzung, da die Peak-Temperatur der Pulse
1, 2, usw. nicht zum gleichen Zeitpunkt auftritt.
Für einen sicheren Betrieb des Bauelementes muss die Peak-Junction-Temperatur
P
TJ kleiner als die im Datenblatt angegebene maximale Junction-Temperatur TJmax
bleiben.
Bei sehr kurzen Pulsen kann wegen des kleinen Wertes der thermischen Impedanz
P
eine sehr hohe Peak-Verlustleistung PV zulässig sein, die auch höher als PDS sein
darf. Im I-U-Diagramm bedeutet dies, dass die statische PVmax-Kurve kurzzeitig
überschritten werden darf.
Auch die Grenzwerte Imax und Umax können bei Pulsbelastung höher liegen, wenn
dies im Datenblatt angegeben ist.
1-16
tw 18.10.2014 EBE_1.doc
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