功率器件熱設計基礎（十三）——使用熱系數Ψth(j-top)獲取結溫信息

 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。

驅動(dòng)IC電流越來(lái)越大，如采用DSO-8 300mil寬體封裝的EiceDRIVER? 1ED3241MC12H和1ED3251MC12H 2L-SRC緊湊型單通道隔離式柵極驅動(dòng)器，驅動(dòng)電流高達+/-18A，且具有兩級電壓變化率控制和有源米勒鉗位，獲得UL 1577和VDE 0884-11認證，而1ED3125MU12F采用DSO-8 150mil窄體封裝，驅動(dòng)電流也高達+/-10A，這對于器件的散熱是個(gè)挑戰。

更多大電流驅動(dòng)器產(chǎn)品參考文末圖表。

面對驅動(dòng)電路散熱設計的挑戰，關(guān)鍵一步是精確的熱設計，保證工作結溫不要超過(guò)器件允許的最高工作結溫。這就需要一種簡(jiǎn)單的結溫估算方法，通過(guò)測量器件表面溫度來(lái)推算結溫，這是工程師的夢(mèng)想。為此英飛凌在數據手冊上給出了熱系數Ψ _th(j-top) ，通過(guò)測溫和計算獲取結溫信息。

EiceDRIVER? IC散熱基礎知識

計算電子元器件的結溫T _J 通常以物理測量值為基礎，需要知道環(huán)境溫度T _A 或其它需要且可以測量的元器件散熱通路上的溫度和熱阻，此外，還必須知道元器件功耗。

有了這三類(lèi)數據，我們就能使用眾所周知的公式計算結溫：

其中，R _th(j-a),tot 是從結點(diǎn)到環(huán)境的總熱阻，P _d 是EiceDRIVER? IC的功耗，T _A 的是環(huán)境溫度?？偀嶙鑂 _th(j-a),tot 只能通過(guò)測量方式獲得，因為系統的布局、PCB在系統中的安裝方式以及系統內部的氣流對該值的影響很大。

根據圖1a驅動(dòng)IC的橫截面圖，可以知道有兩個(gè)熱流路徑。主要路徑通常在引線(xiàn)框架和管腳上。芯片上的焊盤(pán)，通常連接到一個(gè)甚至多個(gè)管腳，這些管腳幫助熱量傳導到PCB，進(jìn)而也改善了結到環(huán)境的散熱。其次，還有少量的熱流通過(guò)IC表面（例如上表面）直接傳到環(huán)境大氣中，此路徑散熱效率主要取決于芯片表面的對流條件，但它也會(huì )影響到結點(diǎn)到環(huán)境的總熱阻。熱流的第三個(gè)路徑是熱輻射，但這一路徑的影響很小，可以忽略。

圖1a. 驅動(dòng)IC的橫截面

相關(guān)的熱等效電路一般是根據這種散熱模型推導出來(lái)的，如圖1b所示。請注意，我們可以通過(guò)在集成電路表面安裝散熱器來(lái)改變結至環(huán)境總熱阻R _th(j-a),tot ，并迫使主要熱量流經(jīng)此路徑。然而，這一方案與大多數設計無(wú)緣，主要受限于爬電距離，而且PCB組裝工藝也會(huì )變得更加復雜，增加成本。

圖1b. 熱等效電路

圖中P _D1 部分遠小于P _D2 ，因為結到IC表面的熱阻以及IC表面到環(huán)境的熱阻遠遠大于結到引線(xiàn)框架（即“管殼”），再到PCB環(huán)境的熱阻。這完全合情合理，因為塑封材料的導熱能力很差，而引線(xiàn)框架通常由銅制成，熱導率遠遠高于前者。

簡(jiǎn)化的熱模型

將EiceDRIVER? IC或功率晶體管的表面溫度作為結溫參考，這是一種理想的方法。根據圖2不難發(fā)現，芯片表面到封裝表面的距離d會(huì )對熱流產(chǎn)生影響。該距離越大，必然導致芯片表面溫度與器件表面的溫差越大。設計時(shí)也必須考慮到，即使兩個(gè)不同功率的集成電路具有相同的表面溫度，其功率耗散也可能完全不同。因此，在比較兩個(gè)功率集成電路時(shí)，如果不知道功率耗散和集成電路的封裝參數，表面溫度本身就沒(méi)有意義了。

圖2a. 簡(jiǎn)化熱流路徑后的IC和封裝橫截面

現在，對前面的熱模型經(jīng)過(guò)修改，滿(mǎn)足工程方法的要求。我們現在可以合理地假定，P _D1 部分近似為零，并假定所有熱量都流經(jīng)管腳。于是等效電路可簡(jiǎn)化為圖2b所示的電路。這樣就能直接在IC表面測量的結溫。但是，通過(guò)上面完整熱路我們可以得知，由于對流的存在，該表面溫度將會(huì )稍低于實(shí)際結溫。

圖2b. 簡(jiǎn)化后的熱等效電路

圖2b中有一個(gè)用虛線(xiàn)表示的元器件，它代表結點(diǎn)到上表面的熱系數psi(Ψ-)，結到器件表面Ψ _th(j-top) 的熱系數并非物理意義上的熱阻，因為根據圖2b中的熱等效電路，理論上我們已經(jīng)假設此方向沒(méi)有熱流。此路徑的末端為開(kāi)路的熱絕緣狀態(tài)。但即便如此，封裝上表面特定點(diǎn)的溫度與結點(diǎn)溫度之間仍存在某種關(guān)系。這種關(guān)系類(lèi)似于熱阻：

現在，在計算出功耗后，只需通過(guò)測量IC表面的溫度，就能確定EiceDRIVER?柵極驅動(dòng)IC的平均結溫。

熱系數Ψ _th(j-top) 包含在EiceDRIVER?數據表中，并且已考慮空氣引起的自然對流。它是通過(guò)仿真方法獲取的，并未經(jīng)過(guò)測量驗證。我們可以通過(guò)優(yōu)化系統中PCB位置，使用機柜內自然氣流或強制冷卻的方法來(lái)改善EiceDRIVER? IC的散熱。

簡(jiǎn)化模型的局限性

該簡(jiǎn)化模型當然存在一些局限性，其中最重要的局限性包括以下幾點(diǎn)：

1

通過(guò)管腳到PCB的熱傳導和器件表面自然對流所占的熱流比率，或者說(shuō)與應用安裝條件的相關(guān)性：

用戶(hù)可以通過(guò)在IC表面粘貼或固定小型散熱器來(lái)改善IC表面散熱，這肯定會(huì )對Ψ值的結果產(chǎn)生影響，使該值變得更大。

2

當紅外測溫儀夠不到芯片表面時(shí)，就需要在測量點(diǎn)安裝溫度傳感器：

溫度傳感器必須與IC表面進(jìn)行充分的熱接觸。通?？紤]使用導熱膠，但IC表面與傳感器之間的任何膠層都會(huì )對結果產(chǎn)生影響。如果溫度傳感器較大，其熱容也大，就會(huì )起到散熱器的效果。

3

PCB設計對仿真結果的影響：

PCB走線(xiàn)設計，特別是直接連接層的銅層厚度對整個(gè)散熱效果有很大的影響。引腳處的較大銅面積或較厚的銅層可改善EiceDRIVER? IC的散熱。在帶Ψ-值的數據手冊中可以找到用于仿真Ψ-值的PCB設計作為條件。

摘自EiceDRIVER? 1ED32xxMC12H數據手冊