功率器件的热设计基础(二)——热阻的串联和并联

描述

/ 前言 /

功率半导体热设计是实现IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基础,只有掌握功率半导体的热设计基础知识,才能完成精确热设计,提高功率器件的利用率,降低系统成本,并保证系统的可靠性。

 

功率器件热设计基础系列文章将比较系统地讲解热设计基础知识,相关标准和工程测量方法。

 

第一讲《功率器件热设计基础(一)----功率半导体的热阻》,已经把热阻和电阻联系起来了,那自然会想到热阻也可以通过串联和并联概念来做数值计算。

 

热阻的串联

 

首先,我们来看热阻的串联。当两个或多个导热层依次排列,热量依次通过它们时,这些导热层热阻就构成了串联关系。

 

功率模块的散热通路中结对散热器热阻Rthjh是由芯片、DCB、铜基板、散热器和焊接层、导热脂层串联构成的。串联热阻中,总热阻等于各热阻之和,这是因为热量在传递过程中,需要依次克服每一个热阻,所以总热阻就是各热阻的累加。

 

热阻的并联

 

当两个或多个热阻(导热层)的两端分别连接在一起,热量可以同时通过它们时,这些热阻就构成了并联关系。譬如在900A 1200V EconoDUAL3 FF900R12ME7中,900A IGBT就是由3片300A芯片并联实现的,这三个芯片是并联关系。

 

在并联热阻中,总热阻的倒数等于各热阻倒数之和。这是因为热量在传递过程中,有多条路径可以选择,所以总热阻会小于任何一个单独的热阻。3片 300A芯片并联成900A芯片的热阻是300A的三分之一。


需要注意的是,热阻的串联和并联与电路中的电阻串联和并联在形式上非常相似,但它们的物理意义是不同的。热阻是描述热量传递过程中遇到的阻碍程度的物理量,而电阻则是描述电流传递过程中遇到的阻碍程度的物理量。所以要讨论的附加效应不一样。


综上所述,热阻的串联和并联是热学中的基本概念,掌握它们的计算方法对于理解和分析热量传递过程具有重要意义。

 

功率模块结构


这是带铜基板功率模块安装在散热器上的结构示意图,功率模块由多个芯片构成。芯片功能、规格,芯片大小厚度可能不同,它们却分享着同一块铜基板和同一块散热器。


 

功率器件

 

各芯片在导热通路上有多个导热层,在IEC 60747-15 Discrete semiconductor devices–15_Isolated power semiconductor devices按照设计的具体需要定义了结到壳的热阻Rthjc,壳到散热器的热阻Rthcs及散热器到环境的热阻Rthsa。

 

下图是带铜基板功率模块散热图,模块安装在散热器上,并把散热器认为是等温面。

 

功率器件

 

注:在IEC 60747-15中的Rth(j-s),Rth(c-s)与本文中RthJH和RthCH一致。

 

热阻串联:

从图中可以读到,热流依次通过各导热层,所以热阻是串联关系:

 

譬如,结到散热器的热阻Rthjs就是结到壳的热阻Rthjc及壳到散热器的热阻Rthcs之和。

功率器件

模块中热阻并联:

在功率模块中,热阻并联有几种形式:

 

1.IGBT或二极管芯片通过并联实现大电流,这样的并联是相同面积尺寸、相同导热性能的芯片并联,这样,由N个IGBT或二极管芯片并联组成的器件中,结到壳的热阻Rthjc是单个芯片热阻的N分之一。前面提到的FF900R12ME7中,900A芯片组的热阻是每个300A芯片的三分之一。

功率器件

2.IGBT开关是由IGBT和续流二极管构成,而每一个模块往往有多个IGBT开关构成,对于一个三相桥IGBT功率模块,其由6个IGBT开关构成,每个开关由IGBT+二极管构成。

 

功率器件

 

对于每种封装,模块对散热器的热阻可能会在数据手册中给出,例如:FS450R12KE4 1200V 450 A EconoPACK+6单元三相桥模块,在给定的安装条件下,RthCH为0.005K/W,由于6个开关(图中arm,在文章中arm称为开关)都安装在铜基板上,所以每个开关分享散热,每个开关的热阻是模块的6倍,就是RthCH_arm=0.03K/W。

功率器件功率器件

 

数据手册中的每个IGBT壳到散热器的热阻0.05K/W和二极管壳到散热器的热阻0.075K/W,两者并联构成一个开关的热阻。

功率器件功率器件功率器件

我们倒过来核算一下,由于一个模块有6个开关,整个模块壳到散热器的热阻RthCH自然就是 0.03K/W除以6,等于0.005K/W。


 

定义和计算IGBT和

二极管壳对散热器的热阻

 

在热设计中,我们的仿真计算会针对每个IGBT和二极管芯片或芯片组(芯片并联),需要分别知道它们的壳到散热器的热阻RthCH,如果数据手册只给出模块对散热器的热阻,我们需要想办法得到每个IGBT和二极管芯片或芯片组壳到散热器的热阻RthCH。

 

我们已经知道散热(热阻)的分享原理,三相桥模块的六个开关是平分模块壳到散热器的热阻的,那么我们只要想办法把每个开关的热阻分配给每个IGBT和二极管芯片就可以了。

 

一种简单有效的方法是按照芯片面积分,而芯片结对壳的热阻很好反映芯片的大小。这样就有了如下两个公式:

功率器件

 

芯片越大,分到壳对散热器热阻就低,散热就好。

 

这里讲的是基本概念和方法,数据手册上的壳对散热器热阻可以通过计算方法获得,如FS450R12KE4 1200V 450A EconoPACK+6单元三相桥模块(你可以用上述公式验证试试),也可以通过实际测量获得,这会在后续章节详细讲解。

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