功率器件热设计基础（五）——功率半导体热容

/ 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会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。

热容

热容 C th 像热阻 R th 一样是一个重要的物理量，它们具有相似的量纲结构。热容和电容，都是描述储存能力物理量，平板电容器电容和热容的对照关系如图所示。

平板电容器电容和热容的对应关系

平板的热容

电容 C el (单位为 A·s/V )表示电荷 Q 和电压 U 之间的关系。

热容 C th (单位为 J/K )是表示热量 Q th 与温度差 ΔT 之间的关系，如式1所示。换句话说，热容可以被描述为热量变化与温差的比值，即：

热量 Q th 可以由比热容 c th 、质量 m 和温差 ΔT 得到，即：

某一确定材料的比热容 c th 是常数，单位为 J/(kg·K) (见下表)。如果用式(2)代替式(1)中的 ΔQ th ，则热容的关系变成：

材料的比热容c th

由于质量 m=ρ·d·A ( d是厚度，A是面积，ρ是密度 )，因此,可以利用材料的比热容 c th 、相对密度 ρ 和体积来计算电力电子器件的热容。

热阻抗

利用热阻 R th 和热容 C th ，可以构建一个类似RC低通电路的热模型，可以用瞬态热阻或热阻抗 Z th 表示这种模型，且每一个实际对象都具有热阻和热容。

瞬态热阻抗Z th ,包括平板的热阻R th 和热容C th

上图给出了瞬态热阻抗 Z th ，包括平板的热阻 R th 和热容 C th 。可以在时域中描述热阻抗 Z th ，即由于热容，温差 ΔT 随时间而变化，有：

与电气工程中的时间常数的定义方式类似，热容充满的时间常数 τ 为：

过渡过程的时间在0~5 τ ，分别代表了达到终值0~99.3%的时间。超过5 τ 或者99.3%以后的时间被视作稳态(即热平衡)。这时假设 ΔT max 不再改变，热容不再对热阻抗有任何的影响，这样就可以把热阻抗 Z t h 与热阻 R th 看成相同的。

下图给出了热阻抗 Z th 随时间的变化过程,可以通过 ΔT(t) 和 P th,C 计算热阻抗,即：

热阻抗Z th 与时间的关系

在实际器件数据手册中热阻抗 Z th 图X轴是时间。

实际器件的热阻抗

功率半导体结对壳的瞬态热阻抗 Z thjc 会在数据手册中给出，功率半导体常见的封装为带铜基板功率模块、不带铜基板的DCB模块和基于铜框架结构的单管，由于传热通路的材料不同，材料重量体积不同，所以瞬态热阻抗 Z thjc 不同。

铜基板模块

DCB模块

单管

铜基板模块

铜基板模块很重，主要是有铜基板，EconoDUAL™ 3的铜基板厚度3毫米，这对瞬态热阻抗 Z thjc 起着重要作用，热量会在DCB两面的铜层和铜基板的纵向和横向扩散，5 τ 值大于2秒（图表摘自FF900R12ME7_B11 900A 1200V半桥模块）。

DCB模块：

没有铜基板的DCB模块轻很多，DCB的覆铜厚度0.25-0.30mm，热容就比带铜基板的模块小很多，热量只会在DCB两面的铜层的纵向和横向扩散，5 τ 值大约为0.4秒（图表摘自FS200R12W3T7_B11 200A 1200V三相桥模块）。

单管：

单管没有DCB板，芯片直接焊在了铜框架上，芯片热量直接加在铜框架上，热可以在铜框架上很好的扩散，5 τ 值大约为0.02秒（图表摘自IKY140N120CH7 140A 1200V IGBT单管）。

小结

本文介绍了热容的概念，提出了瞬态的热特性，并对比了不同封装的瞬态热阻，下一篇将详细介绍瞬态热测量。