【導讀】功率半導體熱設計是實(shí)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。
前言
功率半導體熱設計是實(shí)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(huì )比較系統地講解熱設計基礎知識，相關(guān)標準和工程測量方法。
確定熱阻抗曲線(xiàn)
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(chǎn)生，并達到穩定結溫Tj。關(guān)閉加載電流，記錄器件的降溫過(guò)程。
熱阻Rth(x-y)是兩個(gè)溫度Tx0和Ty0在t=0時(shí)（達到熱平衡，結溫穩定時(shí)）的差值除以PL。
熱模型升溫和降溫是對稱(chēng)的，關(guān)斷時(shí)刻的溫度減去降溫曲線(xiàn)就是升溫曲線(xiàn)，而關(guān)斷時(shí)刻的起始溫度TJ0精確獲得是關(guān)鍵。
實(shí)際計算隨時(shí)間變化的熱阻抗Zth(x-y)(t)，記錄的溫度曲線(xiàn)需要垂直鏡像，并移動(dòng)到坐標系的原點(diǎn)。然后將Tx(t)和Ty(t)的差值除以PL求得Zth(x-y)(t)。
為了確定冷卻階段的結溫，模塊將施加一個(gè)測量小電流(Iref約為1/1000 Inom)，并記錄由此產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)VCE/VF=f(Tj@Iref)（見(jiàn)圖二）是通過(guò)外部均勻加熱被測模塊的方式提前定標記錄下來(lái)的。
外殼溫度Tc和散熱器溫度Th是通過(guò)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(jiàn)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(jiàn)圖三，右側)。
Rth/Zth測量的挑戰和優(yōu)化
模塊的瞬態(tài)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(kāi)始時(shí)，就需要精確測量以確定準確的Tj和Tc。需要指出的是，關(guān)斷后，由于小的時(shí)間常數，很短的時(shí)間會(huì )導致Tvj發(fā)生很大變化，因此這是一個(gè)非常重要的測量時(shí)間段。另一方面，此時(shí)也會(huì )出現振蕩，給測量帶來(lái)很大困難，見(jiàn)圖四。小于某個(gè)截止時(shí)間tcut的所有時(shí)間點(diǎn)上的數據不可以用，但在此時(shí)間間隔內的溫度變化ΔTJ(tcut)又很重要，好在對于短時(shí)間t，在?TJ(t)和時(shí)間t的平方根存在幾乎線(xiàn)性的關(guān)系，可以用于推算出TJ0，見(jiàn)圖五。
因為，對于均質(zhì)材料的"半無(wú)限"散熱器板（即表面積無(wú)限大的板--確保垂直于表面的一維熱流--厚度無(wú)限大），其表面以恒定的功率密度PH/A加熱，當加熱功率開(kāi)啟/關(guān)閉時(shí)，表面溫度隨加熱/冷卻時(shí)間的平方根線(xiàn)性上升/下降。
c、ρ和λ別是板材料的比熱、密度和導熱系數。
在英飛凌應用指南AN2015-10提到了目前正在使用一種改進(jìn)的測量系統（見(jiàn)圖六）。
隨著(zhù)技術(shù)和產(chǎn)品的進(jìn)步，英飛凌重新制定了Rth/Zth測量方法和仿真方法。通過(guò)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(jìn)行了簡(jiǎn)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(shí)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(shí)也會(huì )影響熱阻抗Zth。
熱阻抗與溫度有關(guān)
由于模塊的熱力學(xué)行為，外殼和散熱器之間的熱阻抗（ZthCH和ZthJH）與溫度有關(guān)。模塊經(jīng)過(guò)優(yōu)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(hù)應自行測量特定熱阻抗，可能會(huì )顯著(zhù)增加。
小結
瞬態(tài)熱阻一般是用降溫曲線(xiàn)測得的，這樣，溫度敏感參數(TSP)就不會(huì )受到加熱電壓或加熱電流的干擾，在測量過(guò)程中也無(wú)需控制加熱功率。雖然不推薦使用加熱曲線(xiàn)，但如果在加熱脈沖時(shí)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(fā)生電氣串擾，則原則上也可使用加熱曲線(xiàn)4）。
數據手冊中的ZthCH和ZthJH，是高溫下的值，在器件殼溫低時(shí)候，需要考慮數值是否變大3）。
額外的收獲是，通過(guò)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(lái)驗證測試值。
參考資料
1.《IGBT模塊：技術(shù)、驅動(dòng)和應用 》機械工業(yè)出版社
2. IEC 60747-9 Semiconductor devices - Discrete devices - Part 9: Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs)
3. AN2015-10 Transient thermal measurements and thermal equivalent circuit models
4.JESD51-14-Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction to Case of Semiconductor Devices with Heat Flow Trough a Single Path
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