【導讀】功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化矽SiCgaogonglvmidudejichu，zhiyouzhangwogonglvbandaotidereshejijichuzhishi

，cainengwanchengjingqueresheji，tigaogonglvqijiandeliyonglv
，jiangdixitongchengben，bingbaozhengxitongdekekaoxing。

前言

功率半導體熱設計是實現IGBT
、碳化矽SiCgaogonglvmidudejichu

，zhiyouzhangwogonglvbandaotidereshejijichuzhishi


，cainengwanchengjingqueresheji，tigaogonglvqijiandeliyonglv，jiangdixitongchengben，bingbaozhengxitongdekekaoxing。

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Tvjfashenghendabianhua
，yincizheshiyigefeichangzhongyaodeceliangshijianduan。lingyifangmian，cishiyehuichuxianzhendang
，geiceliangdailaihendakunnan，jiantusi。xiaoyumougejiezhishijiantcut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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