芯耀
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/ 前言 /
功率半導體熱設計是實現(xiàn)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(tǒng)成本，并保證系統(tǒng)的可靠性。
功率器件熱設計基礎系列文章會比較系統(tǒng)地講解熱設計基礎知識，相關標準和工程測量方法。
功率器件的輸出電流能力
器件的輸出電流能力首先是由芯片決定的，但是IGBT芯片的關斷電流能力很強，在單管里是標稱電流的3倍或4倍，模塊由于考慮多芯片并聯(lián)等因素，關斷電流能力定義為標稱電流的2倍。
在實際系統(tǒng)設計中，器件輸出電流能力往往受限于芯片的散熱，在器件設計中也有可能受限端子，這可以從封裝中的大電流規(guī)格器件中看出，其電流受綁定線（引線）的限制。
如IKQ150N65EH7，一個TO-247封裝的150A 650V單管，其集電極直流電流在Tc=25℃時和Tc=100℃一致，都是160A，限制是引線。
摘自IKQ150N65EH7數(shù)據手冊
再看一個900A 1200V的EconoDUAL?3模塊，其關斷電流能力可以到1800A。這樣如果芯片溫度不超過Tvjmax，輸出有效值電流是1289A，但受功率端子限制，ITRMS=580A。
摘自FF900R12ME7_B11數(shù)據手冊
功率端子和引線損耗
功率端子的溫升取決于器件引線的損耗，現(xiàn)代逆變器設計必須考慮到IGBT模塊引線中的功率損耗。這是由于半導體的芯片技術的進步，總損耗隨著電流密度的增加而不斷降低，相同封裝可以放電流規(guī)格更大的芯片，端子損耗就必須考慮。
模塊引線電阻，即端子到芯片的電阻值RCC’+EE’，會造成的損耗，其在數(shù)據手冊中標出，對于中大功率模塊是個不小的數(shù)值。
EconoDUAL?3 FF900R12ME7模塊引線電阻，端子到芯片的電阻值0.8mΩ，900A時壓降0.72V，在900A時，功耗高達648W，這是不能接受的，所以在數(shù)據手冊中規(guī)定的端子的輸出電流ITRMS=580A，這時損耗大約在250W。
FF900R12ME7電流和引線損耗
如果選擇PrimePACK?封裝，其最大規(guī)格做到了2400A半橋，這樣的模塊引線電阻小很多，原因是端子采用銅排結構。FF900R12IE4，900A 1200V模塊端子到芯片的電阻值0.3mΩ，900A時壓降0.27V，功耗僅243W，只有EconoDUAL?3 FF900R12ME7的38%。
功率端子的散熱
功率端子和引線的功率損耗不可小覷，散熱是必要的。
功率端子的熱模型如下圖，熱量從溫度為Tmax的系統(tǒng)最熱點出發(fā)，其有兩條散熱路徑，一是通過功率端子到母排向空間散熱，路徑上熱阻有RthTB功率端子到母排的熱阻，RthBA母排到環(huán)境的熱阻。二是通過DCB、金屬基板到散熱器的，路徑上熱阻有RthSC功率端子到管殼的熱阻，由功率端子的幾何形狀、連接技術和與DCB絕緣陶瓷襯底決定，RthCH管殼到散熱器的熱阻，由導熱脂和金屬基板熱量擴散決定。功率端子分享了芯片的散熱路徑，是并聯(lián)關系，請參閱《功率器件的熱設計基礎（二）---熱阻的串聯(lián)和并聯(lián)》。
圖1.功率端子的熱流
案例分析
模塊的功率端子：
對于大電流的模塊，降低功率端子的損耗也是設計的重要目標，而且比降低芯片損耗要相對容易。以英飛凌最大電流規(guī)格的模塊為例，它們是3600A 1700V，IHM A封裝（圖2左）和IHM B（圖2右）的IGBT模塊。
圖2.兩種不同的功率端子
它們在功率端子設計上的區(qū)別為，IHM A的端子通過焊點與DCB連接，并在主平面上有一個用于機械去耦外力的緩沖。改進后的IHM B中取消了蜿蜒曲折緩沖結構的設計，引入了用于機械解耦的彎曲設計。這將降低端子電阻，從而減小溫度梯度。此外，通過增加端子與DCB之間的接觸面降低RthSC。
另一個不同之處是安裝孔，IHM A安裝孔是腰圓孔，而IHM B由于端子精度高，可以直接用圓孔，為母線提供了更大的接觸面。功率端子的電阻從0.22mΩ降低了0.11mΩ，損耗占比從5.8%降到了2.9%。熱阻RthSC從0.35K/W降低到了0.07K/W，Tmax從105°C降至94°C（1。圖2也顯示了在相同條件下兩種設計的溫度分布。
從端子到散熱器和母排的熱流
在應用中，損耗熱量PT在模塊電源端子中產生，損耗熱量PB在母排中產生。熱流如圖1所示。功率端子的損耗熱流PTH通過RthSC和RthCH從溫度為TS的端子流向溫度為TH的散熱器。母排的損耗熱量PBA從溫度為TB的母線流向溫度為TA的環(huán)境空氣，熱阻為RthBA。
關鍵在于，總損耗熱量PTB也會通過熱阻RthTB在端子和母線之間進行交換，這取決于母線連接的質量。
下圖是HE3模塊端子在特定母排下的測得熱阻進行得分析，為了使計算線性化，假定電阻和所有熱阻與溫度無關。條件是I=440A和TH=80°C，環(huán)境溫度TA變化。
不出所料，系統(tǒng)中最熱的點是功率端子，TA=70°C時溫度升至TT=132°C。母排達TB=102°C。（案例省略了實驗的配置，數(shù)值只供定性參考）
在室溫下，大部分熱量會通過母排散發(fā)到環(huán)境空氣中，但當環(huán)境空氣的溫度達到散熱器的溫度時，母排就不再有散熱作用了。
本文利用數(shù)據手冊上的值分析的功率端子和引線的損耗，無論是單管還是模塊在大電流下?lián)p耗和發(fā)熱不能小覷。
在系統(tǒng)設計中，母排也是很好的散熱通路，文章中只對某個實驗做了解讀，只能做定性參考。
系列文章
功率器件的熱設計基礎（二）---熱阻的串聯(lián)和并聯(lián)
功率器件熱設計基礎（三）----功率半導體殼溫和散熱器溫度定義和測試方法
