/ 前言 /

功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化硅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，并保證系統的可靠性。

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。

確定熱阻抗曲線

測量原理——Rth/Zth基礎：

IEC 60747-9即GB/T 29332半導體器件分立器件第9部分：絕緣柵雙極晶體管（IGBT）（等同采用）中描述了測量的基本原理。確定熱阻抗的方法如圖1所示。恒定功率PL由加載的電流產生，并達到穩定結溫Tj。關閉加載電流，記錄器件的降溫過程。

熱阻Rth(x-y)是兩個溫度Tx0和Ty0在t=0時（達到熱平衡，結溫穩定時）的差值除以PL。

熱模型升溫和降溫是對稱的，關斷時刻的溫度減去降溫曲線就是升溫曲線，而關斷時刻的起始溫度TJ0精確獲得是關鍵。

實際計算隨時間變化的熱阻抗Zth(x-y)(t)，記錄的溫度曲線需要垂直鏡像，并移動到坐標系的原點。然后將Tx(t)和Ty(t)的差值除以PL求得Zth(x-y)(t)。

圖一：熱阻抗測量方法

為了確定冷卻階段的結溫，模塊將施加一個測量小電流(Iref約為1/1000 Inom)，并記錄由此產生的IGBT的飽和壓降或二極管的正向電壓。結溫Tj(t) 可借助標定曲線從測量的飽和壓降或正向電壓中確定Tj=f(VCE/VF@Iref)。其反函數曲線VCE/VF=f(Tj@Iref)（見圖二）是通過外部均勻加熱被測模塊的方式提前定標記錄下來的。

圖二：標定曲線示例，通過測量規定測量電流下的飽和電壓來確定結溫

圖三：3.3kV 140x190mm2模塊外殼溫度Tc和散熱器溫度Th以及傳感器位置示例

外殼溫度Tc和散熱器溫度Th是通過熱電偶測定的。這是它們分別與模塊底板和散熱器接觸的位置(見圖三，左側)。在這兩種情況下，熱電偶投影軸心位于每塊芯片的中心(見圖三，右側)。

Rth/Zth測量的挑戰和優化

模塊的瞬態熱阻最小為1毫秒，單管是1us，而且給出單脈沖和不同占空比下的值，這如何測量的呢？

在冷卻階段開始時，就需要精確測量以確定準確的Tj和Tc。需要指出的是，關斷后，由于小的時間常數，很短的時間會導致Tvj發生很大變化，因此這是一個非常重要的測量時間段。另一方面，此時也會出現振蕩，給測量帶來很大困難，見圖四。小于某個截止時間tcut的所有時間點上的數據不可以用，但在此時間間隔內的溫度變化ΔTJ(tcut)又很重要，好在對于短時間t，在?TJ(t)和時間t的平方根存在幾乎線性的關系，可以用于推算出TJ0，見圖五。

圖四：降溫曲線4）

因為，對于均質材料的"半無限"散熱器板（即表面積無限大的板--確保垂直于表面的一維熱流--厚度無限大），其表面以恒定的功率密度PH/A加熱，當加熱功率開啟/關閉時，表面溫度隨加熱/冷卻時間的平方根線性上升/下降。

c、ρ和λ別是板材料的比熱、密度和導熱系數。

圖五：確定初始結溫TJ0=TJ(t=0)4）

在英飛凌應用指南AN2015-10提到了目前正在使用一種改進的測量系統（見圖六）。

圖六：優化的模擬/數字測量設備

隨著技術和產品的進步，英飛凌重新制定了Rth/Zth測量方法和仿真方法。通過使用新的測量設備，現在可以更精確地確定IGBT模塊的Rth/Zth值3)。

圖七對此進行了簡化描述。與以前的測量系統"A"相比，修改后的測量系統"B"在t=0時Tj和Tc之間的差值更大。如圖一所示，這一溫差與熱阻Rth成正比，同時也會影響熱阻抗Zth。

圖七：比較原測量系統（A）與改進后的測量系統（B）

熱阻抗與溫度有關

由于模塊的熱力學行為，外殼和散熱器之間的熱阻抗（ZthCH和ZthJH）與溫度有關。模塊經過優化，可最高效地把熱傳導至散熱器，以適應半導體使用的典型高工作溫度。因此，數據手冊條件僅反映高溫運行工況，如果模塊在較低的外殼溫度下運行，用戶應自行測量特定熱阻抗，可能會顯著增加。

小結

1

瞬態熱阻一般是用降溫曲線測得的，這樣，溫度敏感參數(TSP)就不會受到加熱電壓或加熱電流的干擾，在測量過程中也無需控制加熱功率。雖然不推薦使用加熱曲線，但如果在加熱脈沖時間內加熱功率PH恒定，且能保證不與芯片上的獨立TSP器件發生電氣串擾，則原則上也可使用加熱曲線4）。

2

數據手冊中的ZthCH和ZthJH，是高溫下的值，在器件殼溫低時候，需要考慮數值是否變大3）。

3

額外的收獲是，通過公式1，可以計算出芯片的有效面積4)，由于芯片有效面積是知道的，可以用來驗證測試值。