【導讀】功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化矽SiC高gao功gong率lv密mi度du的de基ji礎chu，隻zhi有you掌zhang握wo功gong率lv半ban導dao體ti的de熱re設she計ji基ji礎chu知zhi識shi
，才cai能neng完wan成cheng精jing確que熱re設she計ji
，提ti高gao功gong率lv器qi件jian的de利li用yong率lv，降jiang低di係xi統tong成cheng本ben，並bing保bao證zheng係xi統tong的de可ke靠kao性xing。

前言

功率半導體熱設計是實現IGBT

、碳化矽SiC高gao功gong率lv密mi度du的de基ji礎chu

，隻zhi有you掌zhang握wo功gong率lv半ban導dao體ti的de熱re設she計ji基ji礎chu知zhi識shi，才cai能neng完wan成cheng精jing確que熱re設she計ji，提ti高gao功gong率lv器qi件jian的de利li用yong率lv，降jiang低di係xi統tong成cheng本ben
，並bing保bao證zheng係xi統tong的de可ke靠kao性xing。

功率器件熱設計基礎係列文章會比較係統地講解熱設計基礎知識，相關標準和工程測量方法。

確定熱阻抗曲線

測量原理——Rth/Zth基礎：

IEC 60747-9即GB/T 29332半導體器件分立器件第9部分：絕緣柵雙極晶體管（IGBT）（等同采用）中描述了測量的基本原理。確定熱阻抗的方法如圖1所示。恒定功率PL由加載的電流產生，並達到穩定結溫Tj。關閉加載電流，記錄器件的降溫過程。

熱阻Rth(x-y)是兩個溫度Tx0和Ty0在t=0時（達到熱平衡，結溫穩定時）的差值除以PL。

熱模型升溫和降溫是對稱的，關斷時刻的溫度減去降溫曲線就是升溫曲線，而關斷時刻的起始溫度TJ0精確獲得是關鍵。

實際計算隨時間變化的熱阻抗Zth(x-y)(t)
，記錄的溫度曲線需要垂直鏡像
，並移動到坐標係的原點。然後將Tx(t)和Ty(t)的差值除以PL求得Zth(x-y)(t)。

為了確定冷卻階段的結溫，模塊將施加一個測量小電流(Iref約為1/1000 Inom)，並記錄由此產生的IGBT的飽和壓降或二極管的正向電壓。結溫Tj(t) 可借助標定曲線從測量的飽和壓降或正向電壓中確定Tj=f(VCE/VF@Iref)。其反函數曲線VCE/VF=f(Tj@Iref)（見圖二）是通過外部均勻加熱被測模塊的方式提前定標記錄下來的。

外殼溫度Tc和散熱器溫度Th是通過熱電偶測定的。這是它們分別與模塊底板和散熱器接觸的位置(見圖三，左側)。在這兩種情況下
，熱電偶投影軸心位於每塊芯片的中心(見圖三，右側)。

Rth/Zth測量的挑戰和優化

模塊的瞬態熱阻最小為1毫秒
，單管是1us，而且給出單脈衝和不同占空比下的值，這如何測量的呢？

在冷卻階段開始時，就需要精確測量以確定準確的Tj和Tc。需要指出的是，關斷後
，由於小的時間常數，很短的時間會導致Tvj發(fa)生(sheng)很(hen)大(da)變(bian)化(hua)，因(yin)此(ci)這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)測(ce)量(liang)時(shi)間(jian)段(duan)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，此(ci)時(shi)也(ye)會(hui)出(chu)現(xian)振(zhen)蕩(dang)，給(gei)測(ce)量(liang)帶(dai)來(lai)很(hen)大(da)困(kun)難(nan)
，見(jian)圖(tu)四(si)。小(xiao)於(yu)某(mou)個(ge)截(jie)止(zhi)時(shi)間(jian)tcut的所有時間點上的數據不可以用，但在此時間間隔內的溫度變化ΔTJ(tcut)又很重要，好在對於短時間t，在∆TJ(t)和時間t的平方根存在幾乎線性的關係，可以用於推算出TJ0
，見圖五。


因為，對於均質材料的"半無限"散熱器板（即表麵積無限大的板--確保垂直於表麵的一維熱流--厚度無限大），其表麵以恒定的功率密度PH/A加熱，當加熱功率開啟/關閉時，表麵溫度隨加熱/冷卻時間的平方根線性上升/下降。


c、ρ和λ別是板材料的比熱
、密度和導熱係數。


在英飛淩應用指南AN2015-10提到了目前正在使用一種改進的測量係統（見圖六）。


隨著技術和產品的進步，英飛淩重新製定了Rth/Zth測量方法和仿真方法。通過使用新的測量設備
，現在可以更精確地確定IGBT模塊的Rth/Zth值3)。

圖七對此進行了簡化描述。與以前的測量係統"A"相比
，修改後的測量係統"B"在t=0時Tj和Tc之間的差值更大。如圖一所示，這一溫差與熱阻Rth成正比，同時也會影響熱阻抗Zth。


熱阻抗與溫度有關

由於模塊的熱力學行為，外殼和散熱器之間的熱阻抗（ZthCH和ZthJH）與yu溫wen度du有you關guan。模mo塊kuai經jing過guo優you化hua，可ke最zui高gao效xiao地di把ba熱re傳chuan導dao至zhi散san熱re器qi，以yi適shi應ying半ban導dao體ti使shi用yong的de典dian型xing高gao工gong作zuo溫wen度du。因yin此ci
，數shu據ju手shou冊ce條tiao件jian僅jin反fan映ying高gao溫wen運yun行xing工gong況kuang，如ru果guo模mo塊kuai在zai較jiao低di的de外wai殼ke溫wen度du下xia運yun行xing
，用yong戶hu應ying自zi行xing測ce量liang特te定ding熱re阻zu抗kang，可ke能neng會hui顯xian著zhu增zeng加jia。

小結

瞬態熱阻一般是用降溫曲線測得的，這樣，溫度敏感參數(TSP)jiubuhuishoudaojiaredianyahuojiaredianliudeganrao，zaiceliangguochengzhongyewuxukongzhijiaregonglv。suiranbutuijianshiyongjiarequxian，danruguozaijiaremaichongshijianneijiaregonglvPH恒定，且能保證不與芯片上的獨立TSP器件發生電氣串擾
，則原則上也可使用加熱曲線4）。

數據手冊中的ZthCH和ZthJH，是高溫下的值
，在器件殼溫低時候
，需要考慮數值是否變大3）。

額外的收獲是
，通過公式1，可以計算出芯片的有效麵積4)，由於芯片有效麵積是知道的，可以用來驗證測試值。


參考資料

1.《IGBT模塊：技術、驅動和應用 》機械工業出版社

2. IEC 60747-9 Semiconductor devices - Discrete devices - Part 9: Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs)

3. AN2015-10 Transient thermal measurements and thermal  equivalent circuit models

4.JESD51-14-Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction to Case of Semiconductor Devices with Heat Flow Trough a Single Path

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