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[Infineon] 功率器件的熱設計基礎（二）— 熱阻的串聯和並聯

2024-11-21

功率器件的熱設計基礎（二）— 熱阻的串聯和並聯

/ 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將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。

第一講《功率器件熱設計基礎（一）----功率半導體的熱阻》，已經把熱阻和電阻聯繫起來了，那自然會想到熱阻也可以通過串聯和並聯概念來做數值計算。

熱阻的串聯

首先，我們來看熱阻的串聯。當兩個或多個導熱層依次排列，熱量依次通過它們時，這些導熱層熱阻就構成了串聯關係。

功率模組的散熱通路中結對散熱器熱阻 R_thjh 是由晶片、DCB、銅基板、散熱器和焊接層、導熱脂層串聯構成的。串聯熱阻中，總熱阻等於各熱阻之和，這是因為熱量在傳遞過程中，需要依次克服每一個熱阻，所以總熱阻就是各熱阻的累加。

熱阻的並聯

當兩個或多個熱阻（導熱層）的兩端分別連接在一起，熱量可以同時通過它們時，這些熱阻就構成了並聯關係。譬如在 900A 1200V EconoDUAL™3 FF900R12ME7中，900A IGBT 就是由 3 片 300A 晶片並聯實現的，這三個晶片是並聯關係。

在並聯熱阻中，總熱阻的倒數等於各熱阻倒數之和。這是因為熱量在傳遞過程中，有多條路徑可以選擇，所以總熱阻會小於任何一個單獨的熱阻。3 片 300A 晶片並聯成 900A 晶片的熱阻是 300A 的三分之一。

需要注意的是，熱阻的串聯和並聯與電路中的電阻串聯和並聯在形式上非常相似，但它們的物理意義是不同的。熱阻是描述熱量傳遞過程中遇到的阻礙程度的物理量，而電阻則是描述電流傳遞過程中遇到的阻礙程度的物理量。所以要討論的附加效應不一樣。

綜上所述，熱阻的串聯和並聯是熱學中的基本概念，掌握它們的計算方法對於理解和分析熱量傳遞過程具有重要意義。

功率模組結構

這是帶銅基板功率模組安裝在散熱器上的結構示意圖，功率模組由多個晶片構成。晶片功能、規格，晶片大小厚度可能不同，它們卻分享著同一塊銅基板和同一塊散熱器。

各晶片在導熱通路上有多個導熱層，在 IEC 60747-15 Discrete semiconductor devices–15_Isolated power semiconductor devices 按照設計的具體需要定義了結到殼的熱阻 R_thjc，殼到散熱器的熱阻 R_thcs 及散熱器到環境的熱阻 R_thsa。

下圖是帶銅基板功率模組散熱圖，模組安裝在散熱器上，並把散熱器認為是等溫面。

注：在 IEC 60747-15 中的 R_th(j-s),R_th(c-s) 與本文中 R_thJH 和 R_thCH 一致。

熱阻串聯：

從圖中可以讀到，熱流依次通過各導熱層，所以熱阻是串聯關係：

譬如，結到散熱器的熱阻 R_thjs 就是結到殼的熱阻 R_thjc 及殼到散熱器的熱阻 R_thcs 之和。

模組中熱阻並聯：

在功率模組中，熱阻並聯有幾種形式：

1. IGBT 或二極體晶片通過並聯實現大電流，這樣的並聯是相同面積尺寸、相同導熱性能的晶片並聯，這樣，由 N 個 IGBT 或二極體晶片並聯組成的器件中，結到殼的熱阻 R_thjc 是單個晶片熱阻的 N 分之一。前面提到的 FF900R12ME7 中，900A 晶片組的熱阻是每個 300A 晶片的三分之一。

2. IGBT 開關是由 IGBT 和續流二極體構成，而每一個模組往往有多個 IGBT 開關構成，對於一個三相橋 IGBT 功率模組，其由 6 個 IGBT 開關構成，每個開關由 IGBT+ 二極體構成。

對於每種封裝，模組對散熱器的熱阻可能會在資料手冊中給出，例如：FS450R12KE4 1200V 450 A EconoPACK™+6 單元三相橋模組，在給定的安裝條件下，R_thCH 為 0.005K/W，由於 6 個開關（圖中 arm，在文章中 arm 稱為開關）都安裝在銅基板上，所以每個開關分享散熱，每個開關的熱阻是模組的 6 倍，就是 R_{thCH_arm}=0.03K/W。