【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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