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前言 功率半導(dǎo)體熱設(shè)計是實(shí)現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎(chǔ)，只有掌握功率半導(dǎo)體的熱設(shè)計基礎(chǔ)知識，才能完成精確熱設(shè)計，提高功率器件的利用率，降低系統(tǒng)成本，并保證系統(tǒng)的可靠性。 功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)系列文章會比較系統(tǒng)地講解熱設(shè)計基礎(chǔ)知識，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程測量方法。 驅(qū)動IC電流越來越大，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(qū)動器，驅(qū)動電流高達(dá)+/-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(rèn)證，而1ED3125MU12F采用DSO-8 150mil窄體封裝，驅(qū)動電流也高達(dá)+/-10A，這對于器件的散熱是個挑戰(zhàn)。 更多大電流驅(qū)動器產(chǎn)品參考文末圖表。 面對驅(qū)動電路散熱設(shè)計的挑戰(zhàn)，關(guān)鍵一步是精確的熱設(shè)計，保證工作結(jié)溫不要超過器件允許的最高工作結(jié)溫。這就需要一種簡單的結(jié)溫估算方法，通過測量器件表面溫度來推算結(jié)溫，這是工程師的夢想。為此英飛凌在數(shù)據(jù)手冊上給出了熱系數(shù)Ψth(j-top)，通過測溫和計算獲取結(jié)溫信息。 EiceDRIVER™ IC散熱基礎(chǔ)知識 計算電子元器件的結(jié)溫TJ通常以物理測量值為基礎(chǔ)，需要知道環(huán)境溫度TA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。 有了這三類數(shù)據(jù)，我們就能使用眾所周知的公式計算結(jié)溫： 
其中，Rth(j-a),tot是從結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的總熱阻，Pd是EiceDRIVER™ IC的功耗，TA的是環(huán)境溫度。總熱阻Rth(j-a),tot只能通過測量方式獲得，因?yàn)橄到y(tǒng)的布局、PCB在系統(tǒng)中的安裝方式以及系統(tǒng)內(nèi)部的氣流對該值的影響很大。 根據(jù)圖1a驅(qū)動IC的橫截面圖，可以知道有兩個熱流路徑。主要路徑通常在引線框架和管腳上。芯片上的焊盤，通常連接到一個甚至多個管腳，這些管腳幫助熱量傳導(dǎo)到PCB，進(jìn)而也改善了結(jié)到環(huán)境的散熱。其次，還有少量的熱流通過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，但它也會影響到結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的總熱阻。熱流的第三個路徑是熱輻射，但這一路徑的影響很小，可以忽略。
圖1a. 驅(qū)動IC的橫截面 相關(guān)的熱等效電路一般是根據(jù)這種散熱模型推導(dǎo)出來的，如圖1b所示。請注意，我們可以通過在集成電路表面安裝散熱器來改變結(jié)至環(huán)境總熱阻Rth(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(shù)設(shè)計無緣，主要受限于爬電距離，而且PCB組裝工藝也會變得更加復(fù)雜，增加成本。
圖1b. 熱等效電路 圖中PD1部分遠(yuǎn)小于PD2，因?yàn)榻Y(jié)到IC表面的熱阻以及IC表面到環(huán)境的熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)到引線框架（即“管殼”），再到PCB環(huán)境的熱阻。這完全合情合理，因?yàn)樗芊獠牧系膶?dǎo)熱能力很差，而引線框架通常由銅制成，熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者。 簡化的熱模型 將EiceDRIVER™ IC或功率晶體管的表面溫度作為結(jié)溫參考，這是一種理想的方法。根據(jù)圖2不難發(fā)現(xiàn)，芯片表面到封裝表面的距離d會對熱流產(chǎn)生影響。該距離越大，必然導(dǎo)致芯片表面溫度與器件表面的溫差越大。設(shè)計時也必須考慮到，即使兩個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，在比較兩個功率集成電路時，如果不知道功率耗散和集成電路的封裝參數(shù)，表面溫度本身就沒有意義了。
圖2a. 簡化熱流路徑后的IC和封裝橫截面 現(xiàn)在，對前面的熱模型經(jīng)過修改，滿足工程方法的要求。我們現(xiàn)在可以合理地假定，PD1部分近似為零，并假定所有熱量都流經(jīng)管腳。于是等效電路可簡化為圖2b所示的電路。這樣就能直接在IC表面測量的結(jié)溫。但是，通過上面完整熱路我們可以得知，由于對流的存在，該表面溫度將會稍低于實(shí)際結(jié)溫。
圖2b. 簡化后的熱等效電路 圖2b中有一個用虛線表示的元器件，它代表結(jié)點(diǎn)到上表面的熱系數(shù)psi(Ψ-)，結(jié)到器件表面Ψth(j-top)的熱系數(shù)并非物理意義上的熱阻，因?yàn)楦鶕?jù)圖2b中的熱等效電路，理論上我們已經(jīng)假設(shè)此方向沒有熱流。此路徑的末端為開路的熱絕緣狀態(tài)。但即便如此，封裝上表面特定點(diǎn)的溫度與結(jié)點(diǎn)溫度之間仍存在某種關(guān)系。這種關(guān)系類似于熱阻：
現(xiàn)在，在計算出功耗后，只需通過測量IC表面的溫度，就能確定EiceDRIVER™柵極驅(qū)動IC的平均結(jié)溫。 熱系數(shù)Ψth(j-top)包含在EiceDRIVER™數(shù)據(jù)表中，并且已考慮空氣引起的自然對流。它是通過仿真方法獲取的，并未經(jīng)過測量驗(yàn)證。我們可以通過優(yōu)化系統(tǒng)中PCB位置，使用機(jī)柜內(nèi)自然氣流或強(qiáng)制冷卻的方法來改善EiceDRIVER™ IC的散熱。 簡化模型的局限性 該簡化模型當(dāng)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、通過管腳到PCB的熱傳導(dǎo)和器件表面自然對流所占的熱流比率，或者說與應(yīng)用安裝條件的相關(guān)性： 用戶可以通過在IC表面粘貼或固定小型散熱器來改善IC表面散熱，這肯定會對Ψ值的結(jié)果產(chǎn)生影響，使該值變得更大。 2、當(dāng)紅外測溫儀夠不到芯片表面時，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。通常考慮使用導(dǎo)熱膠，但I(xiàn)C表面與傳感器之間的任何膠層都會對結(jié)果產(chǎn)生影響。如果溫度傳感器較大，其熱容也大，就會起到散熱器的效果。 3、PCB設(shè)計對仿真結(jié)果的影響： PCB走線設(shè)計，特別是直接連接層的銅層厚度對整個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(shù)據(jù)手冊中可以找到用于仿真Ψ-值的PCB設(shè)計作為條件。
摘自EiceDRIVER™ 1ED32xxMC12H數(shù)據(jù)手冊 |
