功率器件熱設計基礎（五）——功率半導體熱容

/ 前言 /

功率半導體熱設計是實現(xiàn)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(tǒng)成本，并保證系統(tǒng)的可靠性。

功率器件熱設計基礎系列文章會比較系統(tǒng)地講解熱設計基礎知識，相關(guān)標準和工程測量方法。

熱容

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

平板電容器電容和熱容的對應關(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。換句話說，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、相對密度ρ和體積來計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)建一個類似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，且每一個實際對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?？梢栽跁r域中描述熱阻抗Zth，即由于熱容，溫差ΔT隨時間而變化，有：

與電氣工程中的時間常數(shù)的定義方式類似，熱容充滿的時間常數(shù)τ為：

過渡過程的時間在0~5τ，分別代表了達到終值0~99.3%的時間。超過5τ或者99.3%以后的時間被視作穩(wěn)態(tài)(即熱平衡)。這時假設ΔTmax不再改變，熱容不再對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隨時間的變化過程,可以通過ΔT(t)和Pth,C計算熱阻抗,即：

熱阻抗Zth與時間的關(guān)系

在實際器件數(shù)據(jù)手冊中熱阻抗Zth圖X軸是時間。

實際器件的熱阻抗

功率半導體結(jié)對殼的瞬態(tài)熱阻抗Zthjc會在數(shù)據(jù)手冊中給出，功率半導體常見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

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，這對瞬態(tài)熱阻抗Zthjc起著重要作用，熱量會在DCB兩面的銅層和銅基板的縱向和橫向擴散，5τ值大于2秒（圖表摘自FF900R12ME7_B11 900A 1200V半橋模塊）。

DCB模塊：

沒有銅基板的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，熱量只會在DCB兩面的銅層的縱向和橫向擴散，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，并對比了不同封裝的瞬態(tài)熱阻，下一篇將詳細介紹瞬態(tài)熱測量。