媒介 /本文援用地点：功率半导体热计划是实现IGBT、SiC MOSFET高功率密度的基本，只有控制功率半导体的热计划基本常识，才干实现准确热计划，进步功率器件的应用率，下降体系本钱，并保障体系的牢靠性。功率器件热计划基本系列文章会比拟体系地讲授热计划基本常识，相干尺度跟工程丈量方式。有了热阻热容的观点，天然就会想到在导热资料串并联时，就能够用阻容收集来描写。一个带铜基板的模块有7层资料形成，各层都有必定的热阻跟热容，哪怕是散热器，其自身也有热阻跟热容。全部散热通路还包含导热脂、散热器跟情况。差别时光标准下的各层温度如下图，温度的纹波是由热容决议的。图一：IGBT模块跟散热器热等效电路模子半导体元件的热机能可应用种种等效电路模子来描写:持续收集模子(Cauer模子)：依据IGBT模块的现实物理层跟资料直接树立模子，如图二所示。这个模子须要准确的资料参数，特殊是相干层的横向传热参数。所需RC组合的数量取决于预期模子的辨别率。该模子是基于已知各层资料特征的情形下树立的，反应了基于热容跟热阻的实在物理量。各个RC单位可基于模块的各个层（芯片、芯片焊料、基板、基板焊料跟底板）。因而，收集节点是有对应的温度。图二：Cauer模子部分收集模子(Foster模子)：跟现实的物理层跟资料不关联，经由过程丈量热阻跟阻抗取得，如图三所示。应用部分收集模子不须要晓得确实的资料参数。RC组合的数量取决于丈量点的数目，平日在3~6之间。图三：Foster模子与持续收集模子比拟，部分收集模子的各个RC元件不再与各层资料逐一对应。收集节点不任何物理意思。数据手册中的瞬态热阻曲线就是采取Foster 模子，从上一篇 《功率器件热计划基本（六）----瞬态热丈量》 中提到的丈量冷却曲线中提取参数。局部分项模子的热阻抗能够表现为：此中：如图四所示，IGBT的模块数据表Z 曲线能够用Foster模子描写，响应的系数电阻（r）跟时光常数（τ）用测试失掉的曲线拟合。图四：基于Foster模子热阻抗的示例（FF600R12ME4_B72）一个功率器件的消耗P L (t)，管壳温度T c (t)，结温T j (t)，它们之间的关联可断定如下：图五：Foster模子在现实体系中，因为负载连续时光与散热器的时光常数比拟并不会短得能够疏忽不计，因而并不克不及老是简略的假设外壳跟散热器温度是恒定的。要斟酌瞬态运转工况，应丈量T c (t)，或将IGBT模子与散热器模子关系。斟酌导热脂层在这两个模子中，应用R th 而不是平日未知的Z th 来描写导热脂，这代表最恶劣的情形。假如再疏忽部分收集Foster模子中的热容，加上的功率阶跃会破即在全部热阻链构成温度差，结平和导热脂的温度都市破即回升到一个恒定值，但这并不克不及反应出体系的物理行动。有两种方式能够防止这成绩：假如要经由过程丈量断定散热器的Z th ，则应应用管壳温度T c 而不是散热器温度T h 。在这种情形下，导热脂包括在散热器丈量中。假如IGBT工况能够调剂，那能够做到功率消耗P L (t)已知，如许能够直接丈量外壳温度 T c (t)，并依照图五所示将其归入盘算。将半导体模块跟散热器兼并为一个体系模子用户平日会防止花太多精神去做丈量，盼望依据现有的IGBT/二极管模子跟所需的散热器数据创立一个散热体系模子。持续分数跟局部分数模子都能够描写IGBT的 结到管壳 跟散热器的 散热器到情况 各自的导热特征。假如要将IGBT跟散热器模子组合在一同，就会呈现应应用哪种模子的成绩，尤其是在IGBT跟散热器参数已知的情形下。基于持续收集模子(Cauer模子)热体系模子持续收集模子是由同范例的单个模子形成，将每个单层顺次加热的物理观点抽象化了。这些层顺次加热，热流到达散热器，因而散热器温度回升须要必定时光。Cauer模子能够经由过程仿真或从经由过程丈量取得的部分收集模子Foster模子转换过去。图六：将持续收集模子兼并为一个体系模子平日的做法是经由过程对全部安装的各个层停止资料剖析跟无限元仿真来树立模子，但这只有在有特定散热器数据的情形下才有可能，由于散热器对半导体模块内的热分散有影响，因而也会转变模块的热呼应时光，并由此对 Z th(j-c) 发生影响。现实利用中的散热器与散热器仿真模子的偏向在模子将不会反应出来。平日在数据手册中应用Foster模子，由于这能够经由过程丈量跟相干剖析取得，Z th(j-c) 描写器件很便利。能够将Foster模子转换Cauer模子，Python跟Matlab都有响应的东西，但这种转换成果并不惟一。就是说转换发生的热阻(R th )跟热容(C th )数组并不惟一断定的，在新的持续收集模子(Cauer模子)也不任何物理意思。因而，兼并互不和谐的Cauer模子可能会招致很年夜的偏差。基于Foster模子的热体系模子数据手册中的半导体模块热阻Foster模子，也是应用特定散热器测试出来的。风冷散热器使模块中的热流分散范畴更广，因而丈量成果更好，即R th(j-c) 更低；而水冷式散热器中的热量分散不是很年夜，因而丈量成果中的R th(j-c) 值比拟高。英飞凌数据手册的热阻是用水冷散热器测得的，以是供给的Foster模子代表了更残酷的工况，这象征着利用中保险裕量比拟年夜。因为是串联收集(见图七)，加在芯片上的功耗破即达到散热器，因而，在晚期阶段，结温的回升取决于散热器模子。（因为热容是串联的，依照电容两头电压不克不及渐变的观点，热流破即传到了散热器）图七：将Foster模子兼并为一个体系模子对风冷散热体系，散热器的时光常数从大概10秒到数百秒不等，这远远高于IGBT自身的时光常数值--大概1s。在这种情形下，盘算得出的散热器温升对IGBT温度的影响水平十分小。然而，水冷散热体系存在绝对较低的热容量，即响应的时光常数较小。对 十分快 的水冷散热器，即对半导体模块基板停止直接水冷却（比方pin-fin跟Wave模块）的体系，应答半导体模块加散热器的全部体系停止Z th 丈量。Wave跟一般铜基板模块瞬态特征比拟见下图。FF600R12ME4W_B73 600A 1200V waveFF600R12ME4_B73 600A 1200V因为模块中的热分散会受散热器影响，因而，无论是在持续收集模子(Cauer模子)仍是部分收集模子(Foster模子)中，在将半导体模块模子跟散热器模子形成体系时都有偏差。战胜这一成绩的方式是对半导体模块到散热器的Z th 停止建模或丈量。只有经由过程丈量热阻抗Z th(j-a) ，即同时丈量从芯片经半导体模块封装、导热脂、散热器到情况的全部热门路，才干取得完全的不工资偏差的热体系模子。如许就失掉了全部体系的Foster模子，从而能够准确盘算出芯片结温。再一次夸大，高功率密度计划离不开对体系的热测试跟定标，这时平台化计划的基本。本文要点：1.数据手册上的瞬态热阻抗曲线是基于不物理意思的Foster模子，测试是采取水冷散热器，热容小，更残酷。2.瞬态热阻抗曲线与散热器的热分散有关，倡议体系计划时，对芯片到散热器直接停止建模或丈量。