功率器件的熱設計基礎（二）——熱阻的串聯和并聯
發布時間：2024-12-25 15:37
發布者：唯樣商城
功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎，只有掌握功率半導體的熱設計基礎知識，才能完成精確熱設計，提高功率器件的利用率，降低系統成本，并保證系統的可靠性。 功率器件熱設計基礎系列文章將比較系統地講解熱設計基礎知識，相關標準和工程測量方法。 第一講《功率器件熱設計基礎（一）----功率半導體的熱阻》，已經把熱阻和電阻聯系起來了，那自然會想到熱阻也可以通過串聯和并聯概念來做數值計算。 熱阻的串聯 首先，我們來看熱阻的串聯。當兩個或多個導熱層依次排列，熱量依次通過它們時，這些導熱層熱阻就構成了串聯關系。 功率模塊的散熱通路中結對散熱器熱阻Rthjh是由芯片、DCB、銅基板、散熱器和焊接層、導熱脂層串聯構成的。串聯熱阻中，總熱阻等于各熱阻之和，這是因為熱量在傳遞過程中，需要依次克服每一個熱阻，所以總熱阻就是各熱阻的累加。 熱阻的并聯 當兩個或多個熱阻（導熱層）的兩端分別連接在一起，熱量可以同時通過它們時，這些熱阻就構成了并聯關系。譬如在900A 1200V EconoDUAL™3 FF900R12ME7中，900A IGBT就是由3片300A芯片并聯實現的，這三個芯片是并聯關系。 在并聯熱阻中，總熱阻的倒數等于各熱阻倒數之和。這是因為熱量在傳遞過程中，有多條路徑可以選擇，所以總熱阻會小于任何一個單獨的熱阻。3片 300A芯片并聯成900A芯片的熱阻是300A的三分之一。 需要注意的是，熱阻的串聯和并聯與電路中的電阻串聯和并聯在形式上非常相似，但它們的物理意義是不同的。熱阻是描述熱量傳遞過程中遇到的阻礙程度的物理量，而電阻則是描述電流傳遞過程中遇到的阻礙程度的物理量。所以要討論的附加效應不一樣。 綜上所述，熱阻的串聯和并聯是熱學中的基本概念，掌握它們的計算方法對于理解和分析熱量傳遞過程具有重要意義。 功率模塊結構 這是帶銅基板功率模塊安裝在散熱器上的結構示意圖，功率模塊由多個芯片構成。芯片功能、規格，芯片大小厚度可能不同，它們卻分享著同一塊銅基板和同一塊散熱器。
各芯片在導熱通路上有多個導熱層，在IEC 60747-15 Discrete semiconductor devices–15_Isolated power semiconductor devices按照設計的具體需要定義了結到殼的熱阻Rthjc，殼到散熱器的熱阻Rthcs及散熱器到環境的熱阻Rthsa。 下圖是帶銅基板功率模塊散熱圖，模塊安裝在散熱器上，并把散熱器認為是等溫面。
注：在IEC 60747-15中的Rth(j-s),Rth(c-s)與本文中RthJH和RthCH一致。 熱阻串聯： 從圖中可以讀到，熱流依次通過各導熱層，所以熱阻是串聯關系： 譬如，結到散熱器的熱阻Rthjs就是結到殼的熱阻Rthjc及殼到散熱器的熱阻Rthcs之和。
模塊中熱阻并聯： 在功率模塊中，熱阻并聯有幾種形式： 1、IGBT或二極管芯片通過并聯實現大電流，這樣的并聯是相同面積尺寸、相同導熱性能的芯片并聯，這樣，由N個IGBT或二極管芯片并聯組成的器件中，結到殼的熱阻Rthjc是單個芯片熱阻的N分之一。前面提到的FF900R12ME7中，900A芯片組的熱阻是每個300A芯片的三分之一。
2、IGBT開關是由IGBT和續流二極管構成，而每一個模塊往往有多個IGBT開關構成，對于一個三相橋IGBT功率模塊，其由6個IGBT開關構成，每個開關由IGBT+二極管構成。
對于每種封裝，模塊對散熱器的熱阻可能會在數據手冊中給出，例如：FS450R12KE4 1200V 450 A EconoPACK™+6單元三相橋模塊，在給定的安裝條件下，RthCH為0.005K/W，由于6個開關（圖中arm，在文章中arm稱為開關）都安裝在銅基板上，所以每個開關分享散熱，每個開關的熱阻是模塊的6倍，就是RthCH_arm=0.03K/W。
數據手冊中的每個IGBT殼到散熱器的熱阻0.05K/W和二極管殼到散熱器的熱阻0.075K/W，兩者并聯構成一個開關的熱阻。 我們倒過來核算一下，由于一個模塊有6個開關，整個模塊殼到散熱器的熱阻RthCH自然就是 0.03K/W除以6，等于0.005K/W。 定義和計算IGBT和二極管殼對散熱器的熱阻 在熱設計中，我們的仿真計算會針對每個IGBT和二極管芯片或芯片組（芯片并聯），需要分別知道它們的殼到散熱器的熱阻RthCH，如果數據手冊只給出模塊對散熱器的熱阻，我們需要想辦法得到每個IGBT和二極管芯片或芯片組殼到散熱器的熱阻RthCH。 我們已經知道散熱（熱阻）的分享原理，三相橋模塊的六個開關是平分模塊殼到散熱器的熱阻的，那么我們只要想辦法把每個開關的熱阻分配給每個IGBT和二極管芯片就可以了。 一種簡單有效的方法是按照芯片面積分，而芯片結對殼的熱阻很好反映芯片的大小。這樣就有了如下兩個公式：
芯片越大，分到殼對散熱器熱阻就低，散熱就好。 這里講的是基本概念和方法，數據手冊上的殼對散熱器熱阻可以通過計算方法獲得，如FS450R12KE4 1200V 450A EconoPACK™+6單元三相橋模塊（你可以用上述公式驗證試試），也可以通過實際測量獲得，這會在后續章節詳細講解。 本文作者：陳子穎；轉載自：英飛凌工業半導體 參考資料： 《IGBT模塊：技術、驅動和應用 》機械工業出版社 |
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