文章來源：英飛凌工業半導體

功率二極管晶閘管廣泛應用于AC/DC變換器，UPS，交流靜態開關，SVC和電解氫等場合，但大多數工程師對這類雙極性器件的了解不及對IGBT的了解，為此我們組織了6篇連載，包括正向特性，動態特性，控制特性，保護以及損耗與熱特性。內容摘來自英飛凌《雙極性半導體技術信息》。

4.熱性質

為了維持熱平衡，必須排出半導體中轉化為熱的電能損耗。為此，我們提供了具有明確冷卻性質的散熱器。通過類比電氣電路來描述熱等效電路，如圖32所示。

圖32.二極管和晶閘管的熱等效電路

Rth JC=結-殼穩態熱阻

Rth CH=殼-散熱器穩態熱阻

Rth HA=散熱器穩態熱阻

a–單面冷卻

b–雙面冷卻

4.1溫度

4.1.1 結溫Tvj,Tvj max

對于所有基本電氣性能而言，結溫是最重要的參照。它代表半導體系統內的平均空間溫度，因此更準確地稱為等效結溫或虛擬結溫。

最高允許結溫Tvj max對器件的功能和可靠性十分重要。如果超過Tvj max，半導體性能可能發生不可逆變化，并可能損壞。

4.1.2 殼溫TC

Tc是平板型晶閘管或二極管的殼或PowerBLOCK模塊的基板的接觸區域的最高溫度。

4.1.3 散熱器溫度TH

TH是指半導體通過散熱器接觸區域及其周圍的冷卻介質與散熱器發生熱交換而使散熱器達到的溫度。

英飛凌提供的散熱器已在裝好元器件的情況下進行了測試和規定。因此，給出的散熱器數據包含了器件和散熱器之間的熱阻RthCH。計算時可以不考慮此值。

4.1.4 冷卻介質溫度TA

Ta是冷卻介質進入散熱器之前的溫度。對于空氣冷卻，在散熱器進風口側確定此溫度。對于液體冷卻，則在散熱器冷卻液進口處確定此溫度。

4.1.5 殼溫范圍Tcop

Tcop是可以使功率半導體工作的殼溫范圍。

4.1.6 儲存溫度范圍Tstg

Tstg是功率半導體在不帶電情況下可以存儲的溫度范圍。最高允許儲存溫度與沒有時間限制的最高允許結溫無關，根據DIN IEC 60747-1，環氧樹脂平板型器件和PowerBLOCK模塊的最高允許儲存溫度為Tstg= 150℃，時間限制為672h。

4.2熱阻

4.2.1 內熱阻RthJC

RthJC是結溫Tvj和殼溫TC之差與總耗散功率Ptot的比值：

該值取決于器件的內部設計以及通態電流的波形和頻率。

由于熱阻的并聯，雙面冷卻的熱阻比單面冷卻的低（見圖32）。

熱阻取決于半導體的類型和形狀，因此不會100% 測量，但可以在最初的型式認證試驗中確定。

4.2.2 傳熱熱阻RthCH

RthCH是器件和散熱器接觸區域的溫度差TC-TH與總耗散功率Ptot的比值：

規定值僅在器件正確安裝時有效（見第8章）

4.2.3 散熱器熱阻RthCA

RthCA是殼溫TC和冷卻介質溫度TA之差與總耗散功率 Ptot的比值：

4.2.4 總熱阻RthJA

RthJA是等效結溫Tvj和冷卻介質溫度TA之差與總耗散功率Ptot的比值：

4.2.5 瞬態內熱阻ZthJC

ZthJC描述了元件熱阻隨時間的逐漸變化。在數據手冊中，ZthJC是用恒定直流規定的，還有一部用脈沖電流規定。此外，部分熱阻Rthn和時間常數tn被作為解析函數編在表中。

4.2.6 散熱器瞬態熱阻ZthCA

ZthCA描述了散熱器熱阻隨時間的逐漸變化。ZthCA在單獨數據手冊中有定義。此外，熱阻解析函數的 RthCAn和tn值被列于表格中。散熱器通常沒有一般定義的瞬態熱阻。一方面，瞬態熱阻取決于功率半導體和散熱器的接觸區域。另一方面，冷卻方法（自然冷卻/強制冷卻）和冷卻介質的流動也有很大的影響。

對于自然冷卻和油冷，冷卻介質的流動是由空氣或油的對流造成的。功率耗散限定了對流，因此實際功率耗散是針對自然冷卻和油冷確定的。必須注意散熱器的正確方向和位置。

對于強制冷卻和水冷，冷卻介質的流量是指定的。

因脈沖電流造成的短期溫度變化與這些參數無關。它們被散熱器的大熱容量均衡了。

英飛凌提供的散熱器已在裝好元器件的情況下進行了測試和規定。這些給定的散熱器數據包含了器件和散熱器之間的傳熱熱阻RthCH。因此，不必考慮此值。

4.2.7 總瞬態熱阻ZthJA

ZthJA描述了總熱阻隨時間的逐漸變化。根據瞬態總熱阻計算短時負載結溫。ZthJA是以下兩項的和：

4.3 冷卻

4.3.1 自然空氣冷卻

在自然空氣冷卻（空氣對流冷卻）過程中，通過空氣自然對流排出功率損耗。功率半導體的載流能力通常是在環境溫度TA=45°C的條件下確定的。

4.3.2 強制空氣冷卻

在強制空氣冷卻過程中，通過風扇使冷空氣強制通過散熱器葉片。功率半導體的載流能力通常是在環境溫度TA=35°C的條件下確定的。

4.3.3 水冷

在水冷過程中，通過水排出功率損耗。功率半導體的載流能力通常是在進口水溫TA=25°C的條件下確定的。

4.3.4 水冷

在油冷過程中，通過油排出功率損耗。功率半導體的載流能力通常是在進口油溫TA=70°C的條件下確定的。

審核編輯 黃宇