功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（五）——功率半導(dǎo)體熱容

/ 前言 /

功率半導(dǎo)體熱設(shè)計(jì)是實(shí)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(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，才能完成精確熱設(shè)計(jì)，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(jì)基礎(chǔ)系列文章會(huì)比較系統(tǒng)地講解熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程測(cè)量方法。

熱容

熱容Cth像熱阻Rth一樣是一個(gè)重要的物理量，它們具有相似的量綱結(jié)構(gòu)。熱容和電容，都是描述儲(chǔ)存能力物理量，平板電容器電容和熱容的對(duì)照關(guān)系如圖所示。

平板電容器電容和熱容的對(duì)應(yīng)關(guān)系

平板的熱容

電容Cel(單位為A·s/V)表示電荷Q和電壓U之間的關(guān)系。

熱容Cth(單位為J/K)是表示熱量Qth與溫度差ΔT之間的關(guān)系，如式1所示。換句話(huà)說(shuō)，熱容可以被描述為熱量變化與溫差的比值，即：

熱量Qth可以由比熱容cth、質(zhì)量m和溫差ΔT得到，即：

某一確定材料的比熱容cth是常數(shù)，單位為J/(kg·K)(見(jiàn)下表)。如果用式(2)代替式(1)中的ΔQth，則熱容的關(guān)系變成：

材料的比熱容cth

由于質(zhì)量m=ρ·d·A(d是厚度，A是面積，ρ是密度)，因此,可以利用材料的比熱容cth、相對(duì)密度ρ和體積來(lái)計(jì)算電力電子器件的熱容。

熱阻抗

利用熱阻Rth和熱容Cth，可以構(gòu)建一個(gè)類(lèi)似RC低通電路的熱模型，可以用瞬態(tài)熱阻或熱阻抗Zth表示這種模型，且每一個(gè)實(shí)際對(duì)象都具有熱阻和熱容。

瞬態(tài)熱阻抗Zth,包括平板的熱阻Rth和熱容Cth

上圖給出了瞬態(tài)熱阻抗Zth，包括平板的熱阻Rth和熱容Cth。可以在時(shí)域中描述熱阻抗Zth，即由于熱容，溫差ΔT隨時(shí)間而變化，有：

與電氣工程中的時(shí)間常數(shù)的定義方式類(lèi)似，熱容充滿(mǎn)的時(shí)間常數(shù)τ為：

過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間在0~5τ，分別代表了達(dá)到終值0~99.3%的時(shí)間。超過(guò)5τ或者99.3%以后的時(shí)間被視作穩(wěn)態(tài)(即熱平衡)。這時(shí)假設(shè)ΔTmax不再改變，熱容不再對(duì)熱阻抗有任何的影響，這樣就可以把熱阻抗Zth與熱阻Rth看成相同的。

下圖給出了熱阻抗Zth隨時(shí)間的變化過(guò)程,可以通過(guò)ΔT(t)和Pth,C計(jì)算熱阻抗,即：

熱阻抗Zth與時(shí)間的關(guān)系

在實(shí)際器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中熱阻抗Zth圖X軸是時(shí)間。

實(shí)際器件的熱阻抗

功率半導(dǎo)體結(jié)對(duì)殼的瞬態(tài)熱阻抗Zthjc會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出，功率半導(dǎo)體常見(jiàn)的封裝為帶銅基板功率模塊、不帶銅基板的DCB模塊和基于銅框架結(jié)構(gòu)的單管，由于傳熱通路的材料不同，材料重量體積不同，所以瞬態(tài)熱阻抗Zthjc不同。

銅基板模塊

DCB模塊

單管

銅基板模塊

銅基板模塊很重，主要是有銅基板，EconoDUAL 3的銅基板厚度3毫米，這對(duì)瞬態(tài)熱阻抗Zthjc起著重要作用，熱量會(huì)在DCB兩面的銅層和銅基板的縱向和橫向擴(kuò)散，5τ值大于2秒（圖表摘自FF900R12ME7_B11 900A 1200V半橋模塊）。

DCB模塊：

沒(méi)有銅基板的DCB模塊輕很多，DCB的覆銅厚度0.25-0.30mm，熱容就比帶銅基板的模塊小很多，熱量只會(huì)在DCB兩面的銅層的縱向和橫向擴(kuò)散，5τ值大約為0.4秒（圖表摘自FS200R12W3T7_B11 200A 1200V三相橋模塊）。

單管：

單管沒(méi)有DCB板，芯片直接焊在了銅框架上，芯片熱量直接加在銅框架上，熱可以在銅框架上很好的擴(kuò)散，5τ值大約為0.02秒（圖表摘自IKY140N120CH7 140A 1200V IGBT單管）。

小結(jié)

本文介紹了熱容的概念，提出了瞬態(tài)的熱特性，并對(duì)比了不同封裝的瞬態(tài)熱阻，下一篇將詳細(xì)介紹瞬態(tài)熱測(cè)量。