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    功率器件熱設計基礎(五)——功率半導體熱容

    發布時間:2024-12-06 責任編輯:lina

    【導讀】功率半導體熱設計是實現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,降低系統成本,并保證系統的可靠性。


    前言

    功率半導體熱設計是實現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,降低系統成本,并保證系統的可靠性。

    功率器件熱設計基礎系列文章會比較系統地講解熱設計基礎知識,相關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構。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系如圖所示。


    功率器件熱設計基礎(五)——功率半導體熱容
    平板電容器電容和熱容的對應關系

    功率器件熱設計基礎(五)——功率半導體熱容
    平板的熱容


    電容Cel(單位為A·s/V)表示電荷Q和電壓U之間的關系。

    熱容Cth(單位為J/K)是表示熱量Qth與溫度差ΔT之間的關系,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:


    功率器件熱設計基礎(五)——功率半導體熱容

    熱量Qth可以由比熱容cth、質量m和溫差ΔT得到,即:

    功率器件熱設計基礎(五)——功率半導體熱容

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


    功率器件熱設計基礎(五)——功率半導體熱容
    材料的比熱容cth

    由于質量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。

    功率器件熱設計基礎(五)——功率半導體熱容

    熱阻抗

    利用熱阻Rth和熱容Cth,可以構建一個類似RC低通電路的熱模型,可以用瞬態熱阻或熱阻抗Zth表示這種模型,且每一個實際對象都具有熱阻和熱容。

    功率器件熱設計基礎(五)——功率半導體熱容
    瞬態熱阻抗Zth,包括平板的熱阻Rth和熱容Cth

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

    功率器件熱設計基礎(五)——功率半導體熱容

    與電氣工程中的時間常數的定義方式類似,熱容充滿的時間常數τ為:

    功率器件熱設計基礎(五)——功率半導體熱容

    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態(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:


    功率器件熱設計基礎(五)——功率半導體熱容
    熱阻抗Zth與時間的關系


    在實際器件數據手冊中熱阻抗Zth圖X軸是時間。

    實際器件的熱阻抗

    功率半導體結對殼的瞬態熱阻抗Zthjc會在數據手冊中給出,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構的單管,由于傳熱通路的材料不同,材料重量體積不同,所以瞬態熱阻抗Zthjc不同。

    功率器件熱設計基礎(五)——功率半導體熱容
    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)。

    功率器件熱設計基礎(五)——功率半導體熱容
    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)。

    功率器件熱設計基礎(五)——功率半導體熱容
    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)。

    功率器件熱設計基礎(五)——功率半導體熱容
    小結

    本文介紹了熱容的概念,提出了瞬態的熱特性,并對比了不同封裝的瞬態熱阻,下一篇將詳細介紹瞬態熱測量。

     

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