【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將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。

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係起來了，那自然會想到熱阻也可以通過串聯和並聯概念來做數值計算。

熱阻的串聯

首先，我們來看熱阻的串聯。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關係。

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、daorezhicengchuanliangouchengde。chuanlianrezuzhong，zongrezudengyugerezuzhihe
，zheshiyinweireliangzaichuandiguochengzhong，xuyaoyicikefumeiyigerezu，suoyizongrezujiushigerezudeleijia。

熱阻的並聯

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，這些熱阻就構成了並聯關係。譬如在900A 1200V EconoDUAL™3 FF900R12ME7中，900A IGBT就是由3片300A芯片並聯實現的
，這三個芯片是並聯關係。

在(zai)並(bing)聯(lian)熱(re)阻(zu)中(zhong)
，總(zong)熱(re)阻(zu)的(de)倒(dao)數(shu)等(deng)於(yu)各(ge)熱(re)阻(zu)倒(dao)數(shu)之(zhi)和(he)。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)熱(re)量(liang)在(zai)傳(chuan)遞(di)過(guo)程(cheng)中(zhong)，有(you)多(duo)條(tiao)路(lu)徑(jing)可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)
，所(suo)以(yi)總(zong)熱(re)阻(zu)會(hui)小(xiao)於(yu)任(ren)何(he)一(yi)個(ge)單(dan)獨(du)的(de)熱(re)阻(zu)。3片 300A芯片並聯成900A芯片的熱阻是300A的三分之一。

需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)，熱(re)阻(zu)的(de)串(chuan)聯(lian)和(he)並(bing)聯(lian)與(yu)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)電(dian)阻(zu)串(chuan)聯(lian)和(he)並(bing)聯(lian)在(zai)形(xing)式(shi)上(shang)非(fei)常(chang)相(xiang)似(si)
，但(dan)它(ta)們(men)的(de)物(wu)理(li)意(yi)義(yi)是(shi)不(bu)同(tong)的(de)。熱(re)阻(zu)是(shi)描(miao)述(shu)熱(re)量(liang)傳(chuan)遞(di)過(guo)程(cheng)中(zhong)遇(yu)到(dao)的(de)阻(zu)礙(ai)程(cheng)度(du)的(de)物(wu)理(li)量(liang)，而(er)電(dian)阻(zu)則(ze)是(shi)描(miao)述(shu)電(dian)流(liu)傳(chuan)遞(di)過(guo)程(cheng)中(zhong)遇(yu)到(dao)的(de)阻(zu)礙(ai)程(cheng)度(du)的(de)物(wu)理(li)量(liang)。所(suo)以(yi)要(yao)討(tao)論(lun)的(de)附(fu)加(jia)效(xiao)應(ying)不(bu)一(yi)樣(yang)。

綜上所述
，熱阻的串聯和並聯是熱學中的基本概念，掌握它們的計算方法對於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，並把散熱器認為是等溫麵。

熱阻串聯：

從圖中可以讀到
，熱流依次通過各導熱層，所以熱阻是串聯關係：

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。

模塊中熱阻並聯：

在功率模塊中，熱阻並聯有幾種形式：

1. IGBT或二極管芯片通過並聯實現大電流，這樣的並聯是相同麵積尺寸
   、相同導熱性能的芯片並聯
   ，這樣，由N個IGBT或二極管芯片並聯組成的器件中，結到殼的熱阻Rthjc是單個芯片熱阻的N分之一。前麵提到的FF900R12ME7中
   ，900A芯片組的熱阻是每個300A芯片的三分之一。
   

2. 
   

2.IGBT開關是由IGBT和續流二極管構成，而每一個模塊往往有多個IGBT開關構成，對於一個三相橋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。

對於每種封裝，模塊對散熱器的熱阻可能會在數據手冊中給出，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，由於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。

數據手冊中的每個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，兩者並聯構成一個開關的熱阻。

我們倒過來核算一下，由於一個模塊有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
，等於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（芯片並聯），需要分別知道它們的殼到散熱器的熱阻RthCH，如果數據手冊隻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
，那麼我們隻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麵積分，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。

這裏講的是基本概念和方法
，數據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

，這會在後續章節詳細講解。

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