功率器件熱設計基礎（五）——功率半導體熱容

/ 前言 /

功率半導體熱設計是實現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。

熱容

熱容 C th 像熱阻 R th 一樣是一個重要的物理量，它們具有相似的量綱結構。熱容和電容，都是描述儲存能力物理量，平板電容器電容和熱容的對照關系如圖所示。

平板電容器電容和熱容的對應關系

平板的熱容

電容 C el (單位為 A·s/V )表示電荷 Q 和電壓 U 之間的關系。

熱容 C th (單位為 J/K )是表示熱量 Q th 與溫度差 ΔT 之間的關系，如式1所示。換句話說，熱容可以被描述為熱量變化與溫差的比值，即：

熱量 Q th 可以由比熱容 c th 、質量 m 和溫差 ΔT 得到，即：

某一確定材料的比熱容 c th 是常數，單位為 J/(kg·K) (見下表)。如果用式(2)代替式(1)中的 ΔQ th ，則熱容的關系變成：

材料的比熱容c th

由于質量 m=ρ·d·A ( d是厚度，A是面積，ρ是密度 )，因此,可以利用材料的比熱容 c th 、相對密度 ρ 和體積來計算電力電子器件的熱容。

熱阻抗

利用熱阻 R th 和熱容 C th ，可以構建一個類似RC低通電路的熱模型，可以用瞬態熱阻或熱阻抗 Z th 表示這種模型，且每一個實際對象都具有熱阻和熱容。

瞬態熱阻抗Z th ,包括平板的熱阻R th 和熱容C th

上圖給出了瞬態熱阻抗 Z th ，包括平板的熱阻 R th 和熱容 C th 。可以在時域中描述熱阻抗 Z th ，即由于熱容，溫差 ΔT 隨時間而變化，有：

與電氣工程中的時間常數的定義方式類似，熱容充滿的時間常數 τ 為：

過渡過程的時間在0~5 τ ，分別代表了達到終值0~99.3%的時間。超過5 τ 或者99.3%以后的時間被視作穩態(即熱平衡)。這時假設 ΔT max 不再改變，熱容不再對熱阻抗有任何的影響，這樣就可以把熱阻抗 Z t h 與熱阻 R th 看成相同的。

下圖給出了熱阻抗 Z th 隨時間的變化過程,可以通過 ΔT(t) 和 P th,C 計算熱阻抗,即：

熱阻抗Z th 與時間的關系

在實際器件數據手冊中熱阻抗 Z th 圖X軸是時間。

實際器件的熱阻抗

功率半導體結對殼的瞬態熱阻抗 Z thjc 會在數據手冊中給出，功率半導體常見的封裝為帶銅基板功率模塊、不帶銅基板的DCB模塊和基于銅框架結構的單管，由于傳熱通路的材料不同，材料重量體積不同，所以瞬態熱阻抗 Z thjc 不同。

銅基板模塊

DCB模塊

單管

銅基板模塊

銅基板模塊很重，主要是有銅基板，EconoDUAL? 3的銅基板厚度3毫米，這對瞬態熱阻抗 Z thjc 起著重要作用，熱量會在DCB兩面的銅層和銅基板的縱向和橫向擴散，5 τ 值大于2秒（圖表摘自FF900R12ME7_B11 900A 1200V半橋模塊）。

DCB模塊：

沒有銅基板的DCB模塊輕很多，DCB的覆銅厚度0.25-0.30mm，熱容就比帶銅基板的模塊小很多，熱量只會在DCB兩面的銅層的縱向和橫向擴散，5 τ 值大約為0.4秒（圖表摘自FS200R12W3T7_B11 200A 1200V三相橋模塊）。

單管：

單管沒有DCB板，芯片直接焊在了銅框架上，芯片熱量直接加在銅框架上，熱可以在銅框架上很好的擴散，5 τ 值大約為0.02秒（圖表摘自IKY140N120CH7 140A 1200V IGBT單管）。

小結

本文介紹了熱容的概念，提出了瞬態的熱特性，并對比了不同封裝的瞬態熱阻，下一篇將詳細介紹瞬態熱測量。