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

/ 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：