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描述：

圖 1: 連續網絡熱路模型 (Continued fraction circuit,也稱作Cauer模型, T模型或梯形網絡)

連續網絡熱路模型(Continued fraction circuit)反應了帶有內部熱阻的半導體器件的熱容量真實的物理傳導過程。當已知器件的每層的材料特性時，就能夠建立這個模型。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）都可以用相應獨立的RC單元來表示。因此從熱路模型的各網絡節點就能夠獲得每層材料的內部溫度。文章來源：http://www.31269.cn/sr/297.html

圖 2: 局部網絡熱路模型 (Partial fraction circuit,也稱作Foster模型或pi模型)

與連續網絡熱路模型不同，局部網絡熱路模型(Partial fraction circuit)的RC部分不再與各材料層對應。網絡節點沒有任何物理意義。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，局部網絡熱路模型中的系數是用如表格中的r和一起表示的。

這里舉一個例子：

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

在實際應用中，基板和散熱片的溫度不是總能簡化假設為恒定值，因為與散熱片的時間常數相比，負載周期的時間不是短到可以忽略的。對于非固定的工作環境，要對Tcase(t )進行測量或者將IGBT模型與散熱片模型連接。

考慮導熱膠

在以上兩種網絡熱路模型中，在評估最惡劣情況下的溫度時是用導熱膠Rt h 替代常常是未知的導熱膠Zt h。然而，在局部網絡熱路模型中，當一個階躍的功率輸入到IGBT中時將導致通過導熱膠的溫度隨即上升，并因此將導致實際器件中不存在的結溫升高。有兩種方法可以避開這個問題：

1) 如果散熱片的Zth 可以通過測量得到，應當用基板的溫度Tcase來代替散熱片的溫度Ths。在這種情況下，導熱膠已經包含在散熱片的溫度測量中，這樣就不必再單獨分開考慮。

2) 如果IGBT已經搭建，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加散熱片用局部網絡熱路模型或連續網絡熱路模型？

用戶經常會想避免測量的花費，而想利用目前已有的IGBT和散熱片熱參數畫熱路模型圖。連續網絡熱路模型和局部網絡熱路模型都提供描述了IGBT的結到殼與散熱片到周圍環境的熱傳遞過程。如果要將IGBT和散熱片的模型合并在一起，就會出現要用哪個模型的問題，特別是如果IGBT與散熱片的熱特性是分別獨立給出的。
連續網絡熱路模型中的IGBT 和散熱片：

圖 4: 綜合的連續網絡熱路模型

連續網絡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—類比于電路中的電流—經過一段時間延遲后到達并加熱散熱片。連續網絡熱路模型可以通過仿真或者由一個測量的局部網絡熱路模型變換得到。

通過對整個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模型。但這只有在包含了某一特定的散熱片時才是可能的，因為散熱片對IGBT里熱量的傳遞有著相互耦合作用的影響，因此也對熱響應時間和IGBT的Rthjc有影響。如果實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實際的散熱片進行建模。

在數據手冊中一般會給出局部網絡熱路模型的參數，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。將局部網絡熱路模型變換為連續網絡熱路模型是有可能的。在這個變換中，對于一個Rth/C比值會存在很多對不同的Rth和C取值，且變換后新的連續網絡熱路模型中的RC值和節點都沒有明確的物理意義了。一個變換后得到的不能與其它連續網絡熱路模型對應起來的連續網絡熱路模型會帶來各種錯誤。

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IGBT模塊的等效熱路模型