功率器件熱設計基礎（五）—— 功率半導體功率器件
熱設計基礎（五）—— 功率半導體熱容

英飛凌工業半導體

/ 前言 /

功率半導體熱設計是實現 IGBT、碳化矽 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，並保證系統的可靠性。

功率器件熱設計基礎系列文章會比較系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 C_th 像熱阻 R_th 一樣是一個重要的物理量，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係如圖所示。

平板電容器電容和熱容的對應關係

平板的熱容

電容 C_el (單位為 A·s/V) 表示電荷 Q 和電壓 U 之間的關係。

熱容 C_th (單位為J/K) 是表示熱量 Q_th 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 Q_th 可以由比熱容 c_th、品質 m 和溫差 ΔT 得到，即：

某一確定材料的比熱容 c_th 是常數，單位為 J/(kg·K)(見下表)。如果用式 (2) 代替式 (1) 中的 ΔQ_th，則熱容的關係變成：

材料的比熱容 c_th

由於品質 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 c_th、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 R_th 和熱容 C_th，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 Z_th 表示這種模型，且每一個實際物件都具有熱阻和熱容。

瞬態熱阻抗 Z_th,包括平板的熱阻 R_th 和熱容 C_th

上圖給出了瞬態熱阻抗 Z_th，包括平板的熱阻 R_th 和熱容 C_th。可以在時域中描述熱阻抗 Z_th，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 ΔT_max 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 Z_th 與熱阻 R_th 看成相同的。

下圖給出了熱阻抗 Z_th 隨時間的變化過程,可以通過 ΔT(t) 和 P_th,C 計算熱阻抗,即：

熱阻抗 Z_th 與時間的關係

在實際器件資料手冊中熱阻抗 Z_th 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 Z_thjc 會在資料手冊中給出，功率半導體常見的封裝為帶銅基板功率模組、不帶銅基板的 DCB 模組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 Z_thjc 不同。

銅基板模組

DCB 模組

單管

銅基板模組

銅基板模組很重，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 Z_thjc 起著重要作用，熱量會在 DCB 兩面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 半橋模組）。

DCB 模組：

沒有銅基板的 DCB 模組輕很多，DCB 的覆銅厚度 0.25-0.30mm，熱容就比帶銅基板的模組小很多，熱量只會在 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 三相橋模組）。

單管：

單管沒有 DCB 板，晶片直接焊在了銅框架上，晶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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