【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
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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。

熱容

熱容Cth像熱阻Rth一yi樣yang是shi一yi個ge重zhong要yao的de物wu理li量liang，它ta們men具ju有you相xiang似si的de量liang綱gang結jie構gou。熱re容rong和he電dian容rong
，都dou是shi描miao述shu儲chu存cun能neng力li物wu理li量liang，平ping板ban電dian容rong器qi電dian容rong和he熱re容rong的de對dui照zhao關guan係xi如ru圖tu所suo示shi。

平板電容器電容和熱容的對應關係


平板的熱容

電容Cel(單位為A·s/V)表示電荷Q和電壓U之間的關係。

熱容Cth(單位為J/K)是表示熱量Qth與溫度差ΔT之間的關係
，如式1所示。換句話說，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)(見下表)。如果用式(2)代替式(1)中的ΔQth，則熱容的關係變成：

材料的比熱容cth

由於質量m=ρ·d·A(d是厚度，A是麵積，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，可以構建一個類似RC低通電路的熱模型，可以用瞬態熱阻或熱阻抗Zth表示這種模型，且每一個實際對象都具有熱阻和熱容。


瞬態熱阻抗Zth,包括平板的熱阻Rth和熱容Cth

上圖給出了瞬態熱阻抗Zth
，包括平板的熱阻Rth和熱容Cth。可以在時域中描述熱阻抗Zth，即由於熱容，溫差ΔT隨時間而變化，有：



與電氣工程中的時間常數的定義方式類似，熱容充滿的時間常數τ為：



過渡過程的時間在0~5τ，分別代表了達到終值0~99.3%的時間。超過5τ或者99.3%以後的時間被視作穩態(即熱平衡)。這時假設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隨時間的變化過程,可以通過ΔT(t)和Pth,C計算熱阻抗,即：

熱阻抗Zth與時間的關係

在實際器件數據手冊中熱阻抗Zth圖X軸是時間。

實際器件的熱阻抗

功率半導體結對殼的瞬態熱阻抗Zthjc會在數據手冊中給出

，功率半導體常見的封裝為帶銅基板功率模塊、不帶銅基板的DCB模塊和基於銅框架結構的單管，由於傳熱通路的材料不同，材料重量體積不同，所以瞬態熱阻抗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，這對瞬態熱阻抗Zthjc起著重要作用，熱量會在DCB兩麵的銅層和銅基板的縱向和橫向擴散
，5τ值大於2秒（圖表摘自FF900R12ME7_B11 900A 1200V半橋模塊）。


DCB模塊：

沒有銅基板的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
，熱量隻會在DCB兩麵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
，提出了瞬態的熱特性
，並對比了不同封裝的瞬態熱阻，下一篇將詳細介紹瞬態熱測量。

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