功率器件的热设计基础（二）——热阻的串联和并联

作者：陈子颖，来源：英飞凌工业半导体

前言

功率半导体热设计是实现IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基础，只有掌握功率半导体的热设计基础知识，才能完成精确热设计，提高功率器件的利用率，降低系统成本，并保证系统的可靠性。

功率器件热设计基础系列文章将比较系统地讲解热设计基础知识，相关标准和工程测量方法。

第一讲《功率器件热设计基础（一）----功率半导体的热阻》，已经把热阻和电阻联系起来了，那自然会想到热阻也可以通过串联和并联概念来做数值计算。

热阻的串联

首先，我们来看热阻的串联。当两个或多个导热层依次排列，热量依次通过它们时，这些导热层热阻就构成了串联关系。

功率模块的散热通路中结对散热器热阻Rthjh是由芯片、DCB、铜基板、散热器和焊接层、导热脂层串联构成的。串联热阻中，总热阻等于各热阻之和，这是因为热量在传递过程中，需要依次克服每一个热阻，所以总热阻就是各热阻的累加。

热阻的并联

当两个或多个热阻（导热层）的两端分别连接在一起，热量可以同时通过它们时，这些热阻就构成了并联关系。譬如在900A 1200V EconoDUAL™3 FF900R12ME7中，900A IGBT就是由3片300A芯片并联实现的，这三个芯片是并联关系。

在并联热阻中，总热阻的倒数等于各热阻倒数之和。这是因为热量在传递过程中，有多条路径可以选择，所以总热阻会小于任何一个单独的热阻。3片 300A芯片并联成900A芯片的热阻是300A的三分之一。

需要注意的是，热阻的串联和并联与电路中的电阻串联和并联在形式上非常相似，但它们的物理意义是不同的。热阻是描述热量传递过程中遇到的阻碍程度的物理量，而电阻则是描述电流传递过程中遇到的阻碍程度的物理量。所以要讨论的附加效应不一样。

综上所述，热阻的串联和并联是热学中的基本概念，掌握它们的计算方法对于理解和分析热量传递过程具有重要意义。

功率模块结构

这是带铜基板功率模块安装在散热器上的结构示意图，功率模块由多个芯片构成。芯片功能、规格，芯片大小厚度可能不同，它们却分享着同一块铜基板和同一块散热器。


各芯片在导热通路上有多个导热层，在IEC 60747-15 Discrete semiconductor devices–15_Isolated power semiconductor devices按照设计的具体需要定义了结到壳的热阻Rthjc，壳到散热器的热阻Rthcs及散热器到环境的热阻Rthsa。

下图是带铜基板功率模块散热图，模块安装在散热器上，并把散热器认为是等温面。


热阻串联：

从图中可以读到，热流依次通过各导热层，所以热阻是串联关系：

譬如，结到散热器的热阻Rthjs就是结到壳的热阻Rthjc及壳到散热器的热阻Rthcs之和。


模块中热阻并联：

在功率模块中，热阻并联有几种形式：

1.IGBT或二极管芯片通过并联实现大电流，这样的并联是相同面积尺寸、相同导热性能的芯片并联，这样，由N个IGBT或二极管芯片并联组成的器件中，结到壳的热阻Rthjc是单个芯片热阻的N分之一。前面提到的FF900R12ME7中，900A芯片组的热阻是每个300A芯片的三分之一。



2.IGBT开关是由IGBT和续流二极管构成，而每一个模块往往有多个IGBT开关构成，对于一个三相桥IGBT功率模块，其由6个IGBT开关构成，每个开关由IGBT+二极管构成。


对于每种封装，模块对散热器的热阻可能会在数据手册中给出，例如：FS450R12KE4 1200V 450 A EconoPACK™+6单元三相桥模块，在给定的安装条件下，RthCH为0.005K/W，由于6个开关（图中arm，在文章中arm称为开关）都安装在铜基板上，所以每个开关分享散热，每个开关的热阻是模块的6倍，就是RthCH_arm=0.03K/W。


数据手册中的每个IGBT壳到散热器的热阻0.05K/W和二极管壳到散热器的热阻0.075K/W，两者并联构成一个开关的热阻。


我们倒过来核算一下，由于一个模块有6个开关，整个模块壳到散热器的热阻RthCH自然就是 0.03K/W除以6，等于0.005K/W。

定义和计算IGBT和二极管壳对散热器的热阻

在热设计中，我们的仿真计算会针对每个IGBT和二极管芯片或芯片组（芯片并联），需要分别知道它们的壳到散热器的热阻RthCH，如果数据手册只给出模块对散热器的热阻，我们需要想办法得到每个IGBT和二极管芯片或芯片组壳到散热器的热阻RthCH。

我们已经知道散热（热阻）的分享原理，三相桥模块的六个开关是平分模块壳到散热器的热阻的，那么我们只要想办法把每个开关的热阻分配给每个IGBT和二极管芯片就可以了。

一种简单有效的方法是按照芯片面积分，而芯片结对壳的热阻很好反映芯片的大小。这样就有了如下两个公式：


芯片越大，分到壳对散热器热阻就低，散热就好。

这里讲的是基本概念和方法，数据手册上的壳对散热器热阻可以通过计算方法获得，如FS450R12KE4 1200V 450A EconoPACK™+6单元三相桥模块（你可以用上述公式验证试试），也可以通过实际测量获得，这会在后续章节详细讲解。