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功率半导体热规划是完结。IGBT。、SiC。 MOSFET。高功率密度的根底，只要把握功率半导体的热规划根底知识，才干完结准确热规划，进步功率器材的利用率，下降体系本钱，并确保体系的可靠性。

功率器材热规划根底系列文章会比较体系地解说热规划根底知识，相关规范和工程丈量办法。

有了热阻热容的概念，天然就会想到在导热资料串并联时，就能够用阻容。网络。来描绘。一个带铜基板的模块有7层资料构成，各层都有必定的热阻和热容，哪怕是散热器，其自身也有热阻和热容。整个散热通路还包含导热脂、散热器和环境。不一起刻尺度下的各层温度如下图，温度的纹波是由热容决议的。

图一：IGBT模块和散热器。

热等效电路模型。

半导体。元件的热功能可运用各种等效电路模型来描绘:。

接连网络模型(Cauer模型)：

依据IGBT模块的实践物理层和资料直接树立模型，如图二所示。这个模型需求准确的资料。参数。，特别是相关层的横向传热参数。所需RC组合的数目取决于预期模型的分辨率。

该模型是依据已知各层资料特性的状况下树立的，反映了依据热容和热阻的实在物理量。各个RC单元可依据模块的各个层（。芯片。、芯片焊料、基板、基板焊料和底板）。因而，网络节点是有对应的温度。

图二：Cauer模型。

部分网络模型(Foster模型)：

和实践的物理层和资料没有联系，经过丈量热阻和阻抗取得，如图三所示。运用部分网络模型没有必要知道切当的资料参数。RC组合的数目取决于丈量点的数量，一般在3~6之间。

图三：Foster模型。

与接连网络模型比较，部分网络模型的各个RC元件不再与各层资料一一对应。网络节点没有任何物理含义。数据手册中的瞬态热阻曲线便是选用Foster 模型，从上一篇。《功率器材热规划根底（六）----瞬态热丈量》。中说到的丈量冷却曲线中提取参数。

部分分项模型的热阻抗能够表明为：

其间：

如图四所示，IGBT的模块数据表Zth(j-c)曲线能够用Foster模型描绘，相应的系数电阻（r）和时刻常数（τ）用测验得到的曲线拟合。

图四：依据Foster模型热阻抗的示例（FF600R12ME4_B72）。

一个功率器材的损耗PL(t)，管壳温度Tc(t)，结温Tj(t)，它们之间的联系可确认如下：

图五：Foster模型。

在实践体系中，因为负载持续时刻与散热器的时刻常数比较并不会短得能够疏忽不计，因而并不能总是简略的假定外壳和散热器温度是稳定的。要考虑瞬态运转工况，应丈量Tc(t)，或将IGBT模型与散热器模型相关。

考虑导热脂层。

在这两个模型中，运用Rth而不是一般不知道的Zth来描绘导热脂，这代表最恶劣的状况。假如再疏忽部分网络Foster模型中的热容，加上的功率阶跃会当即在整个热阻链构成温度差，结温文导热脂的温度都会当即上升到一个稳定值，但这并不能反映出体系的物理行为。有两种办法能够防止这问题：

假如要经过丈量确认散热器的Zth，则应运用管壳温度Tc而不是散热器温度Th。在这种状况下，导热脂包含在散热器丈量中。

假如IGBT工况能够调整，那能够做到功率损耗PL(t)已知，这样能够直接丈量外壳温度 Tc(t)，并依照图五所示将其归入核算。

将半导体模块和散热器。

兼并为一个体系模型。

用户一般会防止花太多精力去做丈量，期望依据现有的IGBT/。二极管。模型和所需的散热器数据创立一个散热体系模型。接连分数和部分分数模型都能够描绘IGBT的"结到管壳"和散热器的"散热器到环境"各自的导热特性。假如要将IGBT和散热器模型组合在一起，就会呈现应运用哪种模型的问题，尤其是在IGBT和散热器参数已知的状况下。

依据接连网络模型。

(Cauer模型)热体系模型。

接连网络模型是由同类型的单个模型构成，将每个单层顺次加热的物理概念形象化了。这些层顺次加热，暖流抵达散热器，因而散热器温度上升需求必定时刻。Cauer模型能够经过。仿真。或从经过丈量取得的部分网络模型Foster模型转化过来。

图六：将接连网络模型兼并为一个体系模型。

一般的做法是经过对整个设备的各个层进行资料剖析和有限元仿真来树立模型，但这只要在有特定散热器数据的状况下才有或许，因为散热器对半导体模块内的热分散有影响，因而也会改动模块的热呼应时刻，并由此对Zth(j-c)发生影响。实践运用中的散热器与散热器仿真模型的差错在模型将不会反映出来。

一般在数据手册中运用Foster模型，因为这能够经过丈量和相关剖析取得，Zth(j-c)描绘器材很便利。能够将Foster模型转化Cauer模型，Python。和。Matlab。都有相应的东西，但这种转化成果并不仅有。便是说转化发生的热阻(Rth)和热容(Cth)数组并不仅有确认的，在新的接连网络模型(Cauer模型)也没有任何物理含义。因而，兼并互不和谐的Cauer模型或许会导致很大的差错。

依据Foster模型的热体系模型。

数据手册中的半导体模块热阻Foster模型，也是运用特定散热器测验出来的。风冷散热器使模块中的暖流分散规模更广，因而丈量成果更好，即Rth(j-c)更低；而水冷式散热器中的热量分散不是很大，因而丈量成果中的Rth(j-c)值比较高。

英飞凌。数据手册的热阻是用水冷散热器测得的，所以供给的Foster模型代表了更严格的工况，这意味着运用中安全裕量比较大。

由所以串联网络(见图七)，加在芯片上的功耗当即抵达散热器，因而，在前期阶段，结温的上升取决于散热器模型。（因为热容是串联的，依照。电容。两头电压不能骤变的概念，暖流当即传到了散热器）。

图七：将Foster模型兼并为一个体系模型。

关于风冷散热体系，散热器的时刻常数从大约10秒到数百秒不等，这远远高于IGBT自身的时刻常数值--大约1s。在这种状况下，核算得出的散热器温升对IGBT温度的影响程度十分小。

可是，水冷散热体系具有相对较低的热容量，即相应的时刻常数较小。关于"十分快"的水冷散热器，即对半导体模块基板进行直接水冷却（例如。pi。n-fin和Wave模块）的体系，应对半导体模块加散热器的整个体系进行Zth丈量。Wave和一般铜基板模块瞬态特性比较见下图。

FF600R12ME4W_B73 600A 1200V wave。

FF600R12ME4_B73 600A 1200V。

因为模块中的热分散会受散热器影响，因而，无论是在接连网络模型(Cauer模型)仍是部分网络模型(Foster模型)中，在将半导体模块模型和散热器模型构成体系时都有差错。战胜这一问题的办法是对半导体模块到散热器的Zth进行建模或丈量。只要经过丈量热阻抗Zth(j-a)，即一起丈量从芯片经半导体模块封装、导热脂、散热器到环境的整个热途径，才干取得完好的没有人为差错的热体系模型。这样就得到了整个体系的Foster模型，然后能够准确核算出芯片结温。再一次着重，高功率密度规划离不开对体系的热测验和定标，这时渠道化规划的根底。

本文关键：

1.数据手册上的瞬态热阻抗曲线是依据没有物理含义的Foster模型，测验是选用水冷散热器，热容小，更严格。

2.瞬态热阻抗曲线与散热器的热分散有关，主张体系规划时，对芯片到散热器直接进行建模或丈量。

下一篇将以二极管浪涌。电流。为例，解说瞬态热阻抗曲线的简略运用事例。

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