【導(dǎo)讀】功率半導(dǎo)體熱設(shè)計是實現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎(chǔ),只有掌握功率半導(dǎo)體的熱設(shè)計基礎(chǔ)知識,才能完成精確熱設(shè)計,提高功率器件的利用率,降低系統(tǒng)成本,并保證系統(tǒng)的可靠性。
前言
功率半導(dǎo)體熱設(shè)計是實現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎(chǔ),只有掌握功率半導(dǎo)體的熱設(shè)計基礎(chǔ)知識,才能完成精確熱設(shè)計,提高功率器件的利用率,降低系統(tǒng)成本,并保證系統(tǒng)的可靠性。
功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)系列文章將比較系統(tǒng)地講解熱設(shè)計基礎(chǔ)知識,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程測量方法。
第一講《功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)(一)----功率半導(dǎo)體的熱阻》,已經(jīng)把熱阻和電阻聯(lián)系起來了,那自然會想到熱阻也可以通過串聯(lián)和并聯(lián)概念來做數(shù)值計算。
熱阻的串聯(lián)
首先,我們來看熱阻的串聯(lián)。當(dāng)兩個或多個導(dǎo)熱層依次排列,熱量依次通過它們時,這些導(dǎo)熱層熱阻就構(gòu)成了串聯(lián)關(guān)系。
功率模塊的散熱通路中結(jié)對散熱器熱阻Rthjh是由芯片、DCB、銅基板、散熱器和焊接層、導(dǎo)熱脂層串聯(lián)構(gòu)成的。串聯(lián)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(lián)
當(dāng)兩個或多個熱阻(導(dǎo)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(gòu)成了并聯(lián)關(guān)系。譬如在900A 1200V EconoDUAL?3 FF900R12ME7中,900A IGBT就是由3片300A芯片并聯(lián)實現(xiàn)的,這三個芯片是并聯(lián)關(guān)系。
在并聯(lián)熱阻中,總熱阻的倒數(shù)等于各熱阻倒數(shù)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(dú)的熱阻。3片 300A芯片并聯(lián)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(lián)和并聯(lián)與電路中的電阻串聯(lián)和并聯(lián)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(yīng)不一樣。
綜上所述,熱阻的串聯(lián)和并聯(lián)是熱學(xué)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(jié)構(gòu)
這是帶銅基板功率模塊安裝在散熱器上的結(jié)構(gòu)示意圖,功率模塊由多個芯片構(gòu)成。芯片功能、規(guī)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(dǎo)熱通路上有多個導(dǎo)熱層,在IEC 60747-15 Discrete semiconductor devices–15_Isolated power semiconductor devices按照設(shè)計的具體需要定義了結(jié)到殼的熱阻Rthjc,殼到散熱器的熱阻Rthcs及散熱器到環(huán)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(rèn)為是等溫面。
熱阻串聯(lián):
從圖中可以讀到,熱流依次通過各導(dǎo)熱層,所以熱阻是串聯(lián)關(guān)系:
譬如,結(jié)到散熱器的熱阻Rthjs就是結(jié)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(lián):
在功率模塊中,熱阻并聯(lián)有幾種形式:
IGBT或二極管芯片通過并聯(lián)實現(xiàn)大電流,這樣的并聯(lián)是相同面積尺寸、相同導(dǎo)熱性能的芯片并聯(lián),這樣,由N個IGBT或二極管芯片并聯(lián)組成的器件中,結(jié)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(guān)是由IGBT和續(xù)流二極管構(gòu)成,而每一個模塊往往有多個IGBT開關(guān)構(gòu)成,對于一個三相橋IGBT功率模塊,其由6個IGBT開關(guān)構(gòu)成,每個開關(guān)由IGBT+二極管構(gòu)成。
對于每種封裝,模塊對散熱器的熱阻可能會在數(shù)據(jù)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(guān)(圖中arm,在文章中arm稱為開關(guān))都安裝在銅基板上,所以每個開關(guān)分享散熱,每個開關(guān)的熱阻是模塊的6倍,就是RthCH_arm=0.03K/W。
數(shù)據(jù)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(lián)構(gòu)成一個開關(guān)的熱阻。
我們倒過來核算一下,由于一個模塊有6個開關(guān),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(shè)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(lián)),需要分別知道它們的殼到散熱器的熱阻RthCH,如果數(shù)據(jù)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(jīng)知道散熱(熱阻)的分享原理,三相橋模塊的六個開關(guān)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(guān)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(jié)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(shù)據(jù)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(xù)章節(jié)詳細(xì)講解。
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