功率器件的熱設計基礎（二）——熱阻的串聯(lián)和并聯(lián)

/ 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將比較系統(tǒng)地講解熱設計基礎知識，相關標準和工程測量方法。

第一講《功率器件熱設計基礎（一）----功率半導體的熱阻》，已經把熱阻和電阻聯(lián)系起來了，那自然會想到熱阻也可以通過串聯(lián)和并聯(lián)概念來做數(shù)值計算。

熱阻的串聯(lián)

首先，我們來看熱阻的串聯(lián)。當兩個或多個導熱層依次排列，熱量依次通過它們時，這些導熱層熱阻就構成了串聯(lián)關系。

功率模塊的散熱通路中結對散熱器熱阻Rthjh是由芯片、DCB、銅基板、散熱器和焊接層、導熱脂層串聯(lián)構成的。串聯(lián)熱阻中，總熱阻等于各熱阻之和，這是因為熱量在傳遞過程中，需要依次克服每一個熱阻，所以總熱阻就是各熱阻的累加。

熱阻的并聯(lián)

當兩個或多個熱阻（導熱層）的兩端分別連接在一起，熱量可以同時通過它們時，這些熱阻就構成了并聯(lián)關系。譬如在900A 1200V EconoDUAL?3 FF900R12ME7中，900A IGBT就是由3片300A芯片并聯(lián)實現(xiàn)的，這三個芯片是并聯(lián)關系。

在并聯(lián)熱阻中，總熱阻的倒數(shù)等于各熱阻倒數(shù)之和。這是因為熱量在傳遞過程中，有多條路徑可以選擇，所以總熱阻會小于任何一個單獨的熱阻。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程中遇到的阻礙程度的物理量。所以要討論的附加效應不一樣。

綜上所述，熱阻的串聯(lián)和并聯(lián)是熱學中的基本概念，掌握它們的計算方法對于理解和分析熱量傳遞過程具有重要意義。

功率模塊結構

這是帶銅基板功率模塊安裝在散熱器上的結構示意圖，功率模塊由多個芯片構成。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。

各芯片在導熱通路上有多個導熱層，在IEC 60747-15 Discrete semiconductor devices–15_Isolated power semiconductor devices按照設計的具體需要定義了結到殼的熱阻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，熱流依次通過各導熱層，所以熱阻是串聯(lián)關系：

譬如，結到散熱器的熱阻Rthjs就是結到殼的熱阻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或二極管芯片通過并聯(lián)實現(xiàn)大電流，這樣的并聯(lián)是相同面積尺寸、相同導熱性能的芯片并聯(lián)，這樣，由N個IGBT或二極管芯片并聯(lián)組成的器件中，結到殼的熱阻Rthjc是單個芯片熱阻的N分之一。前面提到的FF900R12ME7中，900A芯片組的熱阻是每個300A芯片的三分之一。

2.IGBT開關是由IGBT和續(xù)流二極管構成，而每一個模塊往往有多個IGBT開關構成，對于一個三相橋IGBT功率模塊，其由6個IGBT開關構成，每個開關由IGBT+二極管構成。

對于每種封裝，模塊對散熱器的熱阻可能會在數(shù)據(jù)手冊中給出，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個開關（圖中arm，在文章中arm稱為開關）都安裝在銅基板上，所以每個開關分享散熱，每個開關的熱阻是模塊的6倍，就是RthCH_arm=0.03K/W。

數(shù)據(jù)手冊中的每個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)構成一個開關的熱阻。

我們倒過來核算一下，由于一個模塊有6個開關，整個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。

定義和計算IGBT和二極管殼對散熱器的熱阻

在熱設計中，我們的仿真計算會針對每個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)手冊只給出模塊對散熱器的熱阻，我們需要想辦法得到每個IGBT和二極管芯片或芯片組殼到散熱器的熱阻RthCH。

我們已經知道散熱（熱阻）的分享原理，三相橋模塊的六個開關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開關的熱阻分配給每個IGBT和二極管芯片就可以了。

一種簡單有效的方法是按照芯片面積分，而芯片結對殼的熱阻很好反映芯片的大小。這樣就有了如下兩個公式：

芯片越大，分到殼對散熱器熱阻就低，散熱就好。

這里講的是基本概念和方法，數(shù)據(jù)手冊上的殼對散熱器熱阻可以通過計算方法獲得，如FS450R12KE4 1200V 450A EconoPACK?+6單元三相橋模塊（你可以用上述公式驗證試試），也可以通過實際測量獲得，這會在后續(xù)章節(jié)詳細講解。

本篇是功率器件熱設計基礎的第二篇，第三篇我們將聊聊功率半導體殼溫和散熱器溫度定義和測試方法，下周一不見不散！

參考資料

《IGBT模塊：技術、驅動和應用 》機械工業(yè)出版社