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/ 前言 / 功率半導體熱設計是實(shí)現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，降低系統成本，并保證系統的可靠性。 功率器件熱設計基礎系列文章會(huì )比較系統地講解熱設計基礎知識，相關(guān)標準和工程測量方法。 熱容 熱容Cth像熱阻Rth一樣是一個(gè)重要的物理量，它們具有相似的量綱結構。熱容和電容，都是描述儲存能力物理量，平板電容器電容和熱容的對照關(guān)系如圖所示。 
圖：平板電容器電容和熱容的對應關(guān)系
圖：平板的熱容 電容Cel(單位為A·s/V)表示電荷Q和電壓U之間的關(guān)系。 熱容Cth(單位為J/K)是表示熱量Qth與溫度差ΔT之間的關(guān)系，如式1所示。換句話(huà)說(shuō)，熱容可以被描述為熱量變化與溫差的比值，即：
熱量Qth可以由比熱容cth、質(zhì)量m和溫差ΔT得到，即：
某一確定材料的比熱容cth是常數，單位為J/(kg·K)(見(jiàn)下表)。如果用式(2)代替式(1)中的ΔQth，則熱容的關(guān)系變成：
圖：材料的比熱容cth 由于質(zhì)量m=ρ·d·A(d是厚度，A是面積，ρ是密度)，因此,可以利用材料的比熱容cth、相對密度ρ和體積來(lái)計算電力電子器件的熱容。
熱阻抗 利用熱阻Rth和熱容Cth，可以構建一個(gè)類(lèi)似RC低通電路的熱模型，可以用瞬態(tài)熱阻或熱阻抗Zth表示這種模型，且每一個(gè)實(shí)際對象都具有熱阻和熱容。
圖：瞬態(tài)熱阻抗Zth,包括平板的熱阻Rth和熱容Cth 上圖給出了瞬態(tài)熱阻抗Zth，包括平板的熱阻Rth和熱容Cth�？梢栽跁r(shí)域中描述熱阻抗Zth，即由于熱容，溫差ΔT隨時(shí)間而變化，有：
與電氣工程中的時(shí)間常數的定義方式類(lèi)似，熱容充滿(mǎn)的時(shí)間常數τ為：
過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間在0~5τ，分別代表了達到終值0~99.3%的時(shí)間。超過(guò)5τ或者99.3%以后的時(shí)間被視作穩態(tài)(即熱平衡)。這時(shí)假設ΔTmax不再改變，熱容不再對熱阻抗有任何的影響，這樣就可以把熱阻抗Zth與熱阻Rth看成相同的。 下圖給出了熱阻抗Zth隨時(shí)間的變化過(guò)程,可以通過(guò)ΔT(t)和Pth,C計算熱阻抗,即：
圖：熱阻抗Zth與時(shí)間的關(guān)系 在實(shí)際器件數據手冊中熱阻抗Zth圖X軸是時(shí)間。 實(shí)際器件的熱阻抗 功率半導體結對殼的瞬態(tài)熱阻抗Zthjc會(huì )在數據手冊中給出，功率半導體常見(jiàn)的封裝為帶銅基板功率模塊、不帶銅基板的DCB模塊和基于銅框架結構的單管，由于傳熱通路的材料不同，材料重量體積不同，所以瞬態(tài)熱阻抗Zthjc不同。
銅基板模塊 銅基板模塊很重，主要是有銅基板，EconoDUAL™ 3的銅基板厚度3毫米，這對瞬態(tài)熱阻抗Zthjc起著(zhù)重要作用，熱量會(huì )在DCB兩面的銅層和銅基板的縱向和橫向擴散，5τ值大于2秒（圖表摘自FF900R12ME7_B11 900A 1200V半橋模塊）。
DCB模塊： 沒(méi)有銅基板的DCB模塊輕很多，DCB的覆銅厚度0.25-0.30mm，熱容就比帶銅基板的模塊小很多，熱量只會(huì )在DCB兩面的銅層的縱向和橫向擴散，5τ值大約為0.4秒（圖表摘自FS200R12W3T7_B11 200A 1200V三相橋模塊）。
單管： 單管沒(méi)有DCB板，芯片直接焊在了銅框架上，芯片熱量直接加在銅框架上，熱可以在銅框架上很好的擴散，5τ值大約為0.02秒（圖表摘自IKY140N120CH7 140A 1200V IGBT單管）。
小結 本文介紹了熱容的概念，提出了瞬態(tài)的熱特性，并對比了不同封裝的瞬態(tài)熱阻，下一篇將詳細介紹瞬態(tài)熱測量。 本文轉載自：英飛凌工業(yè)半導體，作者：陳子穎 參考資料 1. 《IGBT模塊：技術(shù)、驅動(dòng)和應用 》機械工業(yè)出版社 |
