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IGBT模塊的等效熱路模型

引言
半導體器件的熱特性可以使用不同的等效熱路模型來(lái)描述:
連續網(wǎng)絡(luò )熱路模型
 圖 1: 連續網(wǎng)絡(luò )熱路模型 (Continued fraction circuit,也稱(chēng)作Cauer模型, T模型或梯形網(wǎng)絡(luò ))
連續網(wǎng)絡(luò )熱路模型(Continued fraction circuit)反應了帶有內部熱阻的半導體器件的熱容量真實(shí)的物理傳導過(guò)程。當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(huà)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)都可以用相應獨立的RC單元來(lái)表示。因此從熱路模型的各網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)就能夠獲得每層材料的內部溫度。文章來(lái)源:http://www.wllre.cn/sr/297.html
 局部網(wǎng)絡(luò )熱路模型
圖 2: 局部網(wǎng)絡(luò )熱路模型 (Partial fraction circuit,也稱(chēng)作Foster模型或pi模型)
與連續網(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應。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)沒(méi)有任何物理意義。本應用手冊是用該模型,因為系數很容易從已測得的散熱曲線(xiàn)中得到,因此該模型往往用于解析計算模塊的溫度分布。
在本應用手冊中,局部網(wǎng)絡(luò )熱路模型中的系數是用如表格中的r和一起表示的。
這里舉一個(gè)例子:
局部網(wǎng)絡(luò )熱路模型中的系數
熱阻抗曲線(xiàn)方程及結溫Tj計算公式
瞬態(tài)熱阻抗曲線(xiàn)
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
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)際應用中,基板和散熱片的溫度不是總能簡(jiǎn)化假設為恒定值,因為與散熱片的時(shí)間常數相比,負載周期的時(shí)間不是短到可以忽略的。對于非固定的工作環(huán)境,要對Tcase(t )進(jìn)行測量或者將IGBT模型與散熱片模型連接。
考慮導熱膠
在以上兩種網(wǎng)絡(luò )熱路模型中,在評估最?lèi)毫忧闆r下的溫度時(shí)是用導熱膠Rt h 替代常常是未知的導熱膠Zt h。然而,在局部網(wǎng)絡(luò )熱路模型中,當一個(gè)階躍的功率輸入到IGBT中時(shí)將導致通過(guò)導熱膠的溫度隨即上升,并因此將導致實(shí)際器件中不存在的結溫升高。有兩種方法可以避開(kāi)這個(gè)問(wèn)題:
1) 如果散熱片的Zth 可以通過(guò)測量得到,應當用基板的溫度Tcase來(lái)代替散熱片的溫度Ths。在這種情況下,導熱膠已經(jīng)包含在散熱片的溫度測量中,這樣就不必再單獨分開(kāi)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)可以直接測量得到,從而根據圖3計算得到。
IGBT加散熱片用局部網(wǎng)絡(luò )熱路模型或連續網(wǎng)絡(luò )熱路模型?
用戶(hù)經(jīng)常會(huì )想避免測量的花費,而想利用目前已有的IGBT和散熱片熱參數畫(huà)熱路模型圖。連續網(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的結到殼與散熱片到周?chē)h(huán)境的熱傳遞過(guò)程。如果要將IGBT和散熱片的模型合并在一起,就會(huì )出現要用哪個(gè)模型的問(wèn)題,特別是如果IGBT與散熱片的熱特性是分別獨立給出的。
連續網(wǎng)絡(luò )熱路模型中的IGBT 和散熱片:
綜合的連續網(wǎng)絡(luò )熱路模型
圖 4: 綜合的連續網(wǎng)絡(luò )熱路模型
連續網(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(guò)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(lèi)比于電路中的電流—經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延遲后到達并加熱散熱片。連續網(wǎng)絡(luò )熱路模型可以通過(guò)仿真或者由一個(gè)測量的局部網(wǎng)絡(luò )熱路模型變換得到。
通過(guò)對整個(gè)結構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,因為散熱片對IGBT里熱量的傳遞有著(zhù)相互耦合作用的影響,因此也對熱響應時(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(guò)仿真來(lái)對實(shí)際的散熱片進(jìn)行建模。
在數據手冊中一般會(huì )給出局部網(wǎng)絡(luò )熱路模型的參數,因為這是基于測量得到的結果,以及提供的Zthjc可作為近似的數據用。將局部網(wǎng)絡(luò )熱路模型變換為連續網(wǎng)絡(luò )熱路模型是有可能的。在這個(gè)變換中,對于一個(gè)Rth/C比值會(huì )存在很多對不同的Rth和C取值,且變換后新的連續網(wǎng)絡(luò )熱路模型中的RC值和節點(diǎn)都沒(méi)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網(wǎng)絡(luò )熱路模型對應起來(lái)的連續網(wǎng)絡(luò )熱路模型會(huì )帶來(lái)各種錯誤。
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