【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。

驅動IC電流越來越大
，如采用DSO-8 300mil寬體封裝的EiceDRIVER™ 1ED3241MC12H和1ED3251MC12H 2L-SRC緊湊型單通道隔離式柵極驅動器
，驅動電流高達+/-18A，且具有兩級電壓變化率控製和有源米勒鉗位，獲得UL 1577和VDE 0884-11認證，而1ED3125MU12F采用DSO-8 150mil窄體封裝，驅動電流也高達+/-10A，這對於器件的散熱是個挑戰。

更多大電流驅動器產品參考文末圖表。

麵mian對dui驅qu動dong電dian路lu散san熱re設she計ji的de挑tiao戰zhan，關guan鍵jian一yi步bu是shi精jing確que的de熱re設she計ji，保bao證zheng工gong作zuo結jie溫wen不bu要yao超chao過guo器qi件jian允yun許xu的de最zui高gao工gong作zuo結jie溫wen。這zhe就jiu需xu要yao一yi種zhong簡jian單dan的de結jie溫wen估gu算suan方fang法fa
，通tong過guo測ce量liang器qi件jian表biao麵mian溫wen度du來lai推tui算suan結jie溫wen，這zhe是shi工gong程cheng師shi的de夢meng想xiang。為wei此ci英ying飛fei淩ling在zai數shu據ju手shou冊ce上shang給gei出chu了le熱re係xi數shuΨth(j-top)，通過測溫和計算獲取結溫信息。

EiceDRIVER™ IC散熱基礎知識

計算電子元器件的結溫TJ通常以物理測量值為基礎，需要知道環境溫度TA或huo其qi它ta需xu要yao且qie可ke以yi測ce量liang的de元yuan器qi件jian散san熱re通tong路lu上shang的de溫wen度du和he熱re阻zu
，此ci外wai
，還hai必bi須xu知zhi道dao元yuan器qi件jian功gong耗hao。有you了le這zhe三san類lei數shu據ju，我wo們men就jiu能neng使shi用yong眾zhong所suo周zhou知zhi的de公gong式shi計ji算suan結jie溫wen：

其中
，Rth(j-a),tot是從結點到環境的總熱阻，Pd是EiceDRIVER™ IC的功耗
，TA的是環境溫度。總熱阻Rth(j-a),tot隻能通過測量方式獲得，因為係統的布局、PCB在係統中的安裝方式以及係統內部的氣流對該值的影響很大。

根據圖1a驅動IC的(de)橫(heng)截(jie)麵(mian)圖(tu)，可(ke)以(yi)知(zhi)道(dao)有(you)兩(liang)個(ge)熱(re)流(liu)路(lu)徑(jing)。主(zhu)要(yao)路(lu)徑(jing)通(tong)常(chang)在(zai)引(yin)線(xian)框(kuang)架(jia)和(he)管(guan)腳(jiao)上(shang)。芯(xin)片(pian)上(shang)的(de)焊(han)盤(pan)，通(tong)常(chang)連(lian)接(jie)到(dao)一(yi)個(ge)甚(shen)至(zhi)多(duo)個(ge)管(guan)腳(jiao)，這(zhe)些(xie)管(guan)腳(jiao)幫(bang)助(zhu)熱(re)量(liang)傳(chuan)導(dao)到(dao)PCB，進而也改善了結到環境的散熱。其次，還有少量的熱流通過IC表麵（例如上表麵）zhijiechuandaohuanjingdaqizhong，cilujingsanrexiaolvzhuyaoqujueyuxinpianbiaomiandeduiliutiaojian，dantayehuiyingxiangdaojiediandaohuanjingdezongrezu。reliudedisangelujingshirefushe
，danzheyilujingdeyingxianghenxiao，keyihulve。

圖1a. 驅動IC的橫截麵

相關的熱等效電路一般是根據這種散熱模型推導出來的，如圖1b所示。請注意，我們可以通過在集成電路表麵安裝散熱器來改變結至環境總熱阻Rth(j-a),tot，並迫使主要熱量流經此路徑。然而，這一方案與大多數設計無緣，主要受限於爬電距離，而且PCB組裝工藝也會變得更加複雜
，增加成本。

 圖1b. 熱等效電路

圖中PD1部分遠小於PD2，因為結到IC表麵的熱阻以及IC表麵到環境的熱阻遠遠大於結到引線框架（即“管殼”）
，再到PCB環境的熱阻。這完全合情合理，因為塑封材料的導熱能力很差
，而引線框架通常由銅製成
，熱導率遠遠高於前者。

簡化的熱模型

將EiceDRIVER™ IC或功率晶體管的表麵溫度作為結溫參考，這是一種理想的方法。根據圖2不難發現，芯片表麵到封裝表麵的距離d會(hui)對(dui)熱(re)流(liu)產(chan)生(sheng)影(ying)響(xiang)。該(gai)距(ju)離(li)越(yue)大(da)，必(bi)然(ran)導(dao)致(zhi)芯(xin)片(pian)表(biao)麵(mian)溫(wen)度(du)與(yu)器(qi)件(jian)表(biao)麵(mian)的(de)溫(wen)差(cha)越(yue)大(da)。設(she)計(ji)時(shi)也(ye)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)到(dao)，即(ji)使(shi)兩(liang)個(ge)不(bu)同(tong)功(gong)率(lv)的(de)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)具(ju)有(you)相(xiang)同(tong)的(de)表(biao)麵(mian)溫(wen)度(du)
，其(qi)功(gong)率(lv)耗(hao)散(san)也(ye)可(ke)能(neng)完(wan)全(quan)不(bu)同(tong)。因(yin)此(ci)，在(zai)比(bi)較(jiao)兩(liang)個(ge)功(gong)率(lv)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)時(shi)
，如(ru)果(guo)不(bu)知(zhi)道(dao)功(gong)率(lv)耗(hao)散(san)和(he)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)的(de)封(feng)裝(zhuang)參(can)數(shu)
，表(biao)麵(mian)溫(wen)度(du)本(ben)身(shen)就(jiu)沒(mei)有(you)意(yi)義(yi)了(le)。

圖2a. 簡化熱流路徑後的IC和封裝橫截麵

現在
，對前麵的熱模型經過修改

，滿足工程方法的要求。我們現在可以合理地假定，PD1部分近似為零，並假定所有熱量都流經管腳。於是等效電路可簡化為圖2b所示的電路。這樣就能直接在IC表麵測量的結溫。但是
，通過上麵完整熱路我們可以得知，由於對流的存在，該表麵溫度將會稍低於實際結溫。

 圖2b. 簡化後的熱等效電路

圖2b中有一個用虛線表示的元器件，它代表結點到上表麵的熱係數psi(Ψ-)，結到器件表麵Ψth(j-top)的熱係數並非物理意義上的熱阻，因為根據圖2b中(zhong)的(de)熱(re)等(deng)效(xiao)電(dian)路(lu)，理(li)論(lun)上(shang)我(wo)們(men)已(yi)經(jing)假(jia)設(she)此(ci)方(fang)向(xiang)沒(mei)有(you)熱(re)流(liu)。此(ci)路(lu)徑(jing)的(de)末(mo)端(duan)為(wei)開(kai)路(lu)的(de)熱(re)絕(jue)緣(yuan)狀(zhuang)態(tai)。但(dan)即(ji)便(bian)如(ru)此(ci)，封(feng)裝(zhuang)上(shang)表(biao)麵(mian)特(te)定(ding)點(dian)的(de)溫(wen)度(du)與(yu)結(jie)點(dian)溫(wen)度(du)之(zhi)間(jian)仍(reng)存(cun)在(zai)某(mou)種(zhong)關(guan)係(xi)。這(zhe)種(zhong)關(guan)係(xi)類(lei)似(si)於(yu)熱(re)阻(zu)：

現在，在計算出功耗後
，隻需通過測量IC表麵的溫度，就能確定EiceDRIVER™柵極驅動IC的平均結溫。

熱係數Ψth(j-top)包含在EiceDRIVER™數據表中
，並且已考慮空氣引起的自然對流。它是通過仿真方法獲取的，並未經過測量驗證。我們可以通過優化係統中PCB位置，使用機櫃內自然氣流或強製冷卻的方法來改善EiceDRIVER™ IC的散熱。

簡化模型的局限性

該簡化模型當然存在一些局限性，其中最重要的局限性包括以下幾點：

1. 通過管腳到PCB的熱傳導和器件表麵自然對流所占的熱流比率，或者說與應用安裝條件的相關性：

用戶可以通過在IC表麵粘貼或固定小型散熱器來改善IC表麵散熱，這肯定會對Ψ值的結果產生影響，使該值變得更大。

2. 當紅外測溫儀夠不到芯片表麵時，就需要在測量點安裝溫度傳感器：

溫度傳感器必須與IC表麵進行充分的熱接觸。通常考慮使用導熱膠，但IC表麵與傳感器之間的任何膠層都會對結果產生影響。如果溫度傳感器較大，其熱容也大，就會起到散熱器的效果。

3. PCB設計對仿真結果的影響：

PCB走線設計，特別是直接連接層的銅層厚度對整個散熱效果有很大的影響。引腳處的較大銅麵積或較厚的銅層可改善EiceDRIVER™ IC的散熱。在帶Ψ-值的數據手冊中可以找到用於仿真Ψ-值的PCB設計作為條件。

摘自EiceDRIVER™ 1ED32xxMC12H數據手冊

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