IGBT模塊的等效熱路模型

引言

半導(dǎo)體器件的熱特性可以使用不同的等效熱路模型來描述：

圖 1: 連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型 (Continued fraction circuit,也稱作Cauer模型, T模型或梯形網(wǎng)絡(luò))

連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型(Continued fraction circuit)反應(yīng)了帶有內(nèi)部熱阻的半導(dǎo)體器件的熱容量真實(shí)的物理傳導(dǎo)過程。當(dāng)已知器件的每層的材料特性時(shí)，就能夠建立這個(gè)模型。然而，要畫出每層材料上的熱路圖是十分麻煩的。模塊的每一層（芯片、芯片的連接部、基片、基片連接部、底板）都可以用相應(yīng)獨(dú)立的RC單元來表示。因此從熱路模型的各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就能夠獲得每層材料的內(nèi)部溫度。文章來源：http://m.wllre.cn/sr/297.html

圖 2: 局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型 (Partial fraction circuit,也稱作Foster模型或pi模型)

與連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型不同，局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型(Partial fraction circuit)的RC部分不再與各材料層對(duì)應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)沒有任何物理意義。本應(yīng)用手冊(cè)是用該模型，因?yàn)橄禂?shù)很容易從已測(cè)得的散熱曲線中得到，因此該模型往往用于解析計(jì)算模塊的溫度分布。

在本應(yīng)用手冊(cè)中，局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型中的系數(shù)是用如表格中的r和一起表示的。

這里舉一個(gè)例子：

圖 3: 局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型中含輸入功率P(t), 殼溫Tcase 和IGBT 的仿真模型

在實(shí)際應(yīng)用中，基板和散熱片的溫度不是總能簡(jiǎn)化假設(shè)為恒定值，因?yàn)榕c散熱片的時(shí)間常數(shù)相比，負(fù)載周期的時(shí)間不是短到可以忽略的。對(duì)于非固定的工作環(huán)境，要對(duì)Tcase(t )進(jìn)行測(cè)量或者將IGBT模型與散熱片模型連接。

考慮導(dǎo)熱膠

在以上兩種網(wǎng)絡(luò)熱路模型中，在評(píng)估最惡劣情況下的溫度時(shí)是用導(dǎo)熱膠Rt h 替代常常是未知的導(dǎo)熱膠Zt h。然而，在局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型中，當(dāng)一個(gè)階躍的功率輸入到IGBT中時(shí)將導(dǎo)致通過導(dǎo)熱膠的溫度隨即上升，并因此將導(dǎo)致實(shí)際器件中不存在的結(jié)溫升高。有兩種方法可以避開這個(gè)問題：

1) 如果散熱片的Zth 可以通過測(cè)量得到，應(yīng)當(dāng)用基板的溫度Tcase來代替散熱片的溫度Ths。在這種情況下，導(dǎo)熱膠已經(jīng)包含在散熱片的溫度測(cè)量中，這樣就不必再單獨(dú)分開考慮。

2) 如果IGBT已經(jīng)搭建，因已知輸入功率損耗P(t)，則基板的溫度Tcase(t)可以直接測(cè)量得到，從而根據(jù)圖3計(jì)算得到。

IGBT加散熱片用局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型或連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型？

用戶經(jīng)常會(huì)想避免測(cè)量的花費(fèi)，而想利用目前已有的IGBT和散熱片熱參數(shù)畫熱路模型圖。連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型和局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型都提供描述了IGBT的結(jié)到殼與散熱片到周圍環(huán)境的熱傳遞過程。如果要將IGBT和散熱片的模型合并在一起，就會(huì)出現(xiàn)要用哪個(gè)模型的問題，特別是如果IGBT與散熱片的熱特性是分別獨(dú)立給出的。
連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型中的IGBT 和散熱片：

圖 4: 綜合的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型

連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型和模型中相連接的各材料層的模型使得熱傳遞過程物理意義清晰，即各材料層是逐層傳遞熱量的。熱量流動(dòng)—類比于電路中的電流—經(jīng)過一段時(shí)間延遲后到達(dá)并加熱散熱片。連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型可以通過仿真或者由一個(gè)測(cè)量的局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型變換得到。

通過對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的每一層材料分析和有限元建模仿真，很明顯可以建立一個(gè)模型。但這只有在包含了某一特定的散熱片時(shí)才是可能的，因?yàn)樯崞瑢?duì)IGBT里熱量的傳遞有著相互耦合作用的影響，因此也對(duì)熱響應(yīng)時(shí)間和IGBT的Rthjc有影響。如果實(shí)際中的散熱片與仿真中用的散熱片不一樣，那么就不能通過仿真來對(duì)實(shí)際的散熱片進(jìn)行建模。

在數(shù)據(jù)手冊(cè)中一般會(huì)給出局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型的參數(shù)，因?yàn)檫@是基于測(cè)量得到的結(jié)果，以及提供的Zthjc可作為近似的數(shù)據(jù)用。將局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型變換為連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型是有可能的。在這個(gè)變換中，對(duì)于一個(gè)Rth/C比值會(huì)存在很多對(duì)不同的Rth和C取值，且變換后新的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型中的RC值和節(jié)點(diǎn)都沒有明確的物理意義了。一個(gè)變換后得到的不能與其它連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型對(duì)應(yīng)起來的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型會(huì)帶來各種錯(cuò)誤。

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