功率器件热设计基础(十三)——使用热系数Ψth(j-top)获取结温信息

原创 英飞凌工业半导体 2025-01-20 17:30

/ 前言 /

功率半导体热设计是实现IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基础,只有掌握功率半导体的热设计基础知识,才能完成精确热设计,提高功率器件的利用率,降低系统成本,并保证系统的可靠性。


功率器件热设计基础系列文章会比较系统地讲解热设计基础知识,相关标准和工程测量方法。


驱动IC电流越来越大,如采用DSO-8 300mil宽体封装的EiceDRIVER™ 1ED3241MC12H和1ED3251MC12H 2L-SRC紧凑型单通道隔离式栅极驱动器,驱动电流高达+/-18A,且具有两级电压变化率控制和有源米勒钳位,获得UL 1577和VDE 0884-11认证,而1ED3125MU12F采用DSO-8 150mil窄体封装,驱动电流也高达+/-10A,这对于器件的散热是个挑战。


更多大电流驱动器产品参考文末图表。


面对驱动电路散热设计的挑战,关键一步是精确的热设计,保证工作结温不要超过器件允许的最高工作结温。这就需要一种简单的结温估算方法,通过测量器件表面温度来推算结温,这是工程师的梦想。为此英飞凌在数据手册上给出了热系数Ψth(j-top),通过测温和计算获取结温信息。


EiceDRIVER™ IC散热基础知识


计算电子元器件的结温TJ通常以物理测量值为基础,需要知道环境温度TA或其它需要且可以测量的元器件散热通路上的温度和热阻,此外,还必须知道元器件功耗。


有了这三类数据,我们就能使用众所周知的公式计算结温:

其中,Rth(j-a),tot是从结点到环境的总热阻,Pd是EiceDRIVER™ IC的功耗,TA的是环境温度。总热阻Rth(j-a),tot只能通过测量方式获得,因为系统的布局、PCB在系统中的安装方式以及系统内部的气流对该值的影响很大。


根据图1a驱动IC的横截面图,可以知道有两个热流路径。主要路径通常在引线框架和管脚上。芯片上的焊盘,通常连接到一个甚至多个管脚,这些管脚帮助热量传导到PCB,进而也改善了结到环境的散热。其次,还有少量的热流通过IC表面(例如上表面)直接传到环境大气中,此路径散热效率主要取决于芯片表面的对流条件,但它也会影响到结点到环境的总热阻。热流的第三个路径是热辐射,但这一路径的影响很小,可以忽略。


图1a. 驱动IC的横截面


相关的热等效电路一般是根据这种散热模型推导出来的,如图1b所示。请注意,我们可以通过在集成电路表面安装散热器来改变结至环境总热阻Rth(j-a),tot,并迫使主要热量流经此路径。然而,这一方案与大多数设计无缘,主要受限于爬电距离,而且PCB组装工艺也会变得更加复杂,增加成本。


图1b. 热等效电路


图中PD1部分远小于PD2,因为结到IC表面的热阻以及IC表面到环境的热阻远远大于结到引线框架(即“管壳”),再到PCB环境的热阻。这完全合情合理,因为塑封材料的导热能力很差,而引线框架通常由铜制成,热导率远远高于前者。


简化的热模型


将EiceDRIVER™ IC或功率晶体管的表面温度作为结温参考,这是一种理想的方法。根据图2不难发现,芯片表面到封装表面的距离d会对热流产生影响。该距离越大,必然导致芯片表面温度与器件表面的温差越大。设计时也必须考虑到,即使两个不同功率的集成电路具有相同的表面温度,其功率耗散也可能完全不同。因此,在比较两个功率集成电路时,如果不知道功率耗散和集成电路的封装参数,表面温度本身就没有意义了。


图2a. 简化热流路径后的IC和封装横截面


现在,对前面的热模型经过修改,满足工程方法的要求。我们现在可以合理地假定,PD1部分近似为零,并假定所有热量都流经管脚。于是等效电路可简化为图2b所示的电路。这样就能直接在IC表面测量的结温。但是,通过上面完整热路我们可以得知,由于对流的存在,该表面温度将会稍低于实际结温。


图2b. 简化后的热等效电路


图2b中有一个用虚线表示的元器件,它代表结点到上表面的热系数psi(Ψ-),结到器件表面Ψth(j-top)的热系数并非物理意义上的热阻,因为根据图2b中的热等效电路,理论上我们已经假设此方向没有热流。此路径的末端为开路的热绝缘状态。但即便如此,封装上表面特定点的温度与结点温度之间仍存在某种关系。这种关系类似于热阻:

现在,在计算出功耗后,只需通过测量IC表面的温度,就能确定EiceDRIVER™栅极驱动IC的平均结温。


热系数Ψth(j-top)包含在EiceDRIVER™数据表中,并且已考虑空气引起的自然对流。它是通过仿真方法获取的,并未经过测量验证。我们可以通过优化系统中PCB位置,使用机柜内自然气流或强制冷却的方法来改善EiceDRIVER™ IC的散热。


简化模型的局限性


该简化模型当然存在一些局限性,其中最重要的局限性包括以下几点:


1

通过管脚到PCB的热传导和器件表面自然对流所占的热流比率,或者说与应用安装条件的相关性:

用户可以通过在IC表面粘贴或固定小型散热器来改善IC表面散热,这肯定会对Ψ值的结果产生影响,使该值变得更大。

2

当红外测温仪够不到芯片表面时,就需要在测量点安装温度传感器:

温度传感器必须与IC表面进行充分的热接触。通常考虑使用导热胶,但IC表面与传感器之间的任何胶层都会对结果产生影响。如果温度传感器较大,其热容也大,就会起到散热器的效果。

3

PCB设计对仿真结果的影响:

PCB走线设计,特别是直接连接层的铜层厚度对整个散热效果有很大的影响。引脚处的较大铜面积或较厚的铜层可改善EiceDRIVER™ IC的散热。在带Ψ-值的数据手册中可以找到用于仿真Ψ-值的PCB设计作为条件。

摘自EiceDRIVER™ 1ED32xxMC12H数据手册


点击图片可放大查看


 END 


系列文章

功率器件的热设计基础(一)---功率半导体的热阻

功率器件的热设计基础(二)---热阻的串联和并联

功率器件热设计基础(三)----功率半导体壳温和散热器温度定义和测试方法

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功率器件热设计基础(八)——利用瞬态热阻计算二极管浪涌电流

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功率器件热设计基础(十一)——功率半导体器件的功率端子

功率器件热设计基础(十二)——功率半导体器件的PCB设计



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