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前言 功率半導(dǎo)體熱設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎(chǔ)，只有掌握功率半導(dǎo)體的熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，才能完成精確熱設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)基礎(chǔ)系列文章會(huì)比較系統(tǒng)地講解熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程測(cè)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(guān)斷電流能力很強(qiáng)，在單管里是標(biāo)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(guān)斷電流能力定義為標(biāo)稱電流的2倍。 在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，器件輸出電流能力往往受限于芯片的散熱，在器件設(shè)計(jì)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(gè)TO-247封裝的150A 650V單管，其集電極直流電流在Tc=25℃時(shí)和Tc=100℃一致，都是160A，限制是引線。 
圖：摘自IKQ150N65EH7數(shù)據(jù)手冊(cè) 再看一個(gè)900A 1200V的EconoDUAL™3模塊，其關(guān)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。
圖：摘自FF900R12ME7_B11數(shù)據(jù)手冊(cè) 參考文章《功率半導(dǎo)體冷知識(shí)之二：IGBT短路時(shí)的損耗》 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(shè)計(jì)必須考慮到IGBT模塊引線中的功率損耗。這是由于半導(dǎo)體的芯片技術(shù)的進(jìn)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(huì)造成的損耗，其在數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)出，對(duì)于中大功率模塊是個(gè)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(shí)壓降0.72V，在900A時(shí)，功耗高達(dá)648W，這是不能接受的，所以在數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的端子的輸出電流ITRMS=580A，這時(shí)損耗大約在250W。
圖：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(jié)構(gòu)。FF900R12IE4，900A 1200V模塊端子到芯片的電阻值0.3mΩ，900A時(shí)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(diǎn)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(shù)和與DCB絕緣陶瓷襯底決定，RthCH管殼到散熱器的熱阻，由導(dǎo)熱脂和金屬基板熱量擴(kuò)散決定。功率端子分享了芯片的散熱路徑，是并聯(lián)關(guān)系，請(qǐng)參閱《功率器件的熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（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(duì)于大電流的模塊，降低功率端子的損耗也是設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)，而且比降低芯片損耗要相對(duì)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?cè)诠β识俗釉O(shè)計(jì)上的區(qū)別為，IHM A的端子通過焊點(diǎn)與DCB連接，并在主平面上有一個(gè)用于機(jī)械去耦外力的緩沖。改進(jìn)后的IHM B中取消了蜿蜒曲折緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，引入了用于機(jī)械解耦的彎曲設(shè)計(jì)。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(gè)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(shè)計(jì)的溫度分布。 從端子到散熱器和母排的熱流 在應(yīng)用中，損耗熱量PT在模塊電源端子中產(chǎn)生，損耗熱量PB在母排中產(chǎn)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(guān)鍵在于，總損耗熱量PTB也會(huì)通過熱阻RthTB在端子和母線之間進(jìn)行交換，這取決于母線連接的質(zhì)量。 下圖是HE3模塊端子在特定母排下的測(cè)得熱阻進(jìn)行得分析，為了使計(jì)算線性化，假定電阻和所有熱阻與溫度無關(guān)。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(diǎn)是功率端子，TA=70°C時(shí)溫度升至TT=132°C。母排達(dá)TB=102°C。（案例省略了實(shí)驗(yàn)的配置，數(shù)值只供定性參考） 在室溫下，大部分熱量會(huì)通過母排散發(fā)到環(huán)境空氣中，但當(dāng)環(huán)境空氣的溫度達(dá)到散熱器的溫度時(shí)，母排就不再有散熱作用了。
本文利用數(shù)據(jù)手冊(cè)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(shè)計(jì)中，母排也是很好的散熱通路，文章中只對(duì)某個(gè)實(shí)驗(yàn)做了解讀，只能做定性參考。 參考資料： 1. PCIM-2005 Thermal Properties of Power Terminals 2. 《IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用 》機(jī)械工業(yè)出版社 |
