功率器件的熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（二）——熱阻的串聯(lián)和并聯(lián)

/ 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)系列文章將比較系統(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。

第一講《功率器件熱設(shè)計(jì)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(lái)了，那自然會(huì)想到熱阻也可以通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)概念來(lái)做數(shù)值計(jì)算。

熱阻的串聯(lián)

首先，我們來(lái)看熱阻的串聯(lián)。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)導(dǎo)熱層依次排列，熱量依次通過(guò)它們時(shí)，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(duì)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?yàn)闊崃吭趥鬟f過(guò)程中，需要依次克服每一個(gè)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(gè)或多個(gè)熱阻（導(dǎo)熱層）的兩端分別連接在一起，熱量可以同時(shí)通過(guò)它們時(shí)，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(shí)現(xiàn)的，這三個(gè)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?yàn)闊崃吭趥鬟f過(guò)程中，有多條路徑可以選擇，所以總熱阻會(huì)小于任何一個(gè)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(guò)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(guò)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(jì)算方法對(duì)于理解和分析熱量傳遞過(guò)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(gè)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(gè)導(dǎo)熱層，在IEC 60747-15 Discrete semiconductor devices–15_Isolated power semiconductor devices按照設(shè)計(jì)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。

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(lián)：

從圖中可以讀到，熱流依次通過(guò)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：

1.IGBT或二極管芯片通過(guò)并聯(lián)實(shí)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(gè)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(gè)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(gè)300A芯片的三分之一。

2.IGBT開(kāi)關(guān)是由IGBT和續(xù)流二極管構(gòu)成，而每一個(gè)模塊往往有多個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)構(gòu)成，對(duì)于一個(gè)三相橋IGBT功率模塊，其由6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)構(gòu)成，每個(gè)開(kāi)關(guān)由IGBT+二極管構(gòu)成。

對(duì)于每種封裝，模塊對(duì)散熱器的熱阻可能會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)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(gè)開(kāi)關(guān)（圖中arm，在文章中arm稱(chēng)為開(kāi)關(guān)）都安裝在銅基板上，所以每個(gè)開(kāi)關(guān)分享散熱，每個(gè)開(kāi)關(guān)的熱阻是模塊的6倍，就是RthCH_arm=0.03K/W。

數(shù)據(jù)手冊(cè)中的每個(gè)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(gè)開(kāi)關(guān)的熱阻。

我們倒過(guò)來(lái)核算一下，由于一個(gè)模塊有6個(gè)開(kāi)關(guān)，整個(gè)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(jì)算IGBT和二極管殼對(duì)散熱器的熱阻

在熱設(shè)計(jì)中，我們的仿真計(jì)算會(huì)針對(duì)每個(gè)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(cè)只給出模塊對(duì)散熱器的熱阻，我們需要想辦法得到每個(gè)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(gè)開(kāi)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(gè)開(kāi)關(guān)的熱阻分配給每個(gè)IGBT和二極管芯片就可以了。

一種簡(jiǎn)單有效的方法是按照芯片面積分，而芯片結(jié)對(duì)殼的熱阻很好反映芯片的大小。這樣就有了如下兩個(gè)公式：

芯片越大，分到殼對(duì)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(cè)上的殼對(duì)散熱器熱阻可以通過(guò)計(jì)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(yàn)證試試），也可以通過(guò)實(shí)際測(cè)量獲得，這會(huì)在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)講解。

本篇是功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的第二篇，第三篇我們將聊聊功率半導(dǎo)體殼溫和散熱器溫度定義和測(cè)試方法，下周一不見(jiàn)不散！

參考資料

《IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用 》機(jī)械工業(yè)出版社