功率器件热设计根底（十三）——使用热系数Ψ

 媒介 /本文援用地点：功率半导体热计划是实现IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基本，只有控制功率半导体的热计划基本常识，才干实现准确热计划，进步功率器件的应用率，下降体系本钱，并保障体系的牢靠性。功率器件热计划基本系列文章会比拟体系地讲授热计划基本常识，相干尺度跟工程丈量方式。驱动IC电流越来越年夜，如采取DSO-8 300mil宽体封装的EiceDRIVER™ 1ED3241MC12H跟1ED3251MC12H 2L-SRC紧凑型单通道断绝式栅极驱动器，驱动电流高达+/-18A，且存在两级电压变更率把持跟有源米勒钳位，取得UL 1577跟VDE 0884-11认证，而1ED3125MU12F采取DSO-8 150mil窄体封装，驱动电流也高达+/-10A，这对器件的散热是个挑衅。更多年夜电流驱动器产物参考文末图表。面临驱动电路散热计划的挑衅，要害一步是准确的热计划，保障任务结温不要超越器件容许的最高任务结温。这就须要一种简略的结温预算方式，经由过程丈量器件名义温度来推算结温，这是工程师的幻想。为此英飞凌在数据手册上给出了热系数Ψ th(j-top) ，经由过程测平和盘算获取结温信息。EiceDRIVER™ IC散热基本常识盘算电子元器件的结温T J 平日以物理丈量值为基本，须要晓得情况温度T A 或别的须要且能够丈量的元器件散热通路上的温度跟热阻，别的，还必需晓得元器件功耗。有了这三类数据，咱们就能应用家喻户晓的公式盘算结温：此中，R 是从结点到情况的总热阻，Pd 是EiceDRIVER™ IC的功耗，T A 的是情况温度。总热阻R th(j-a),tot 只能经由过程丈量方法取得，由于体系的规划、PCB在体系中的装置方法以及体系外部的气流对该值的影响很年夜。依据图1a驱动IC的横截面图，能够晓得有两个热流门路。重要门路平日在引线框架跟管脚上。芯片上的焊盘，平日衔接到一个乃至多个管脚，这些管脚辅助热量传导到PCB，进而也改良了却到情况的散热。其次，另有大批的热流畅过IC名义（比方上名义）直接传到情况年夜气中，此门路散热效力重要取决于芯片名义的对流前提，但它也会影响到结点到情况的总热阻。热流的第三个门路是热辐射，但这一起径的影响很小，能够疏忽。图1a. 驱动IC的横截面相干的热等效电路个别是依据这种散热模子推导出来的，如图1b所示。请留神，咱们能够经由过程在集成电路名义装置散热器来转变结至情况总热阻R th(j-a),tot ，并迫使重要热量流经此门路。但是，这一计划与年夜少数计划无缘，重要受限于爬电间隔，并且PCB组装工艺也会变得愈加庞杂，增添本钱。图1b. 热等效电路图中P D1 局部远小于P D2 ，由于结到IC名义的热阻以及IC名义到情况的热阻远弘远于结到引线框架（即“管壳”），再到PCB情况的热阻。这完整通情达理，由于塑封资料的导热才能很差，而引线框架平日由铜制成，热导率远远高于前者。简化的热模子将EiceDRIVER™ IC或功率晶体管的名义温度作为结温参考，这是一种幻想的方式。依据图2不难发明，芯片名义到封装名义的间隔d会对热流发生影响。该间隔越年夜，必定招致芯片名义温度与器件名义的温差越年夜。计划时也必需斟酌到，即便两个差别功率的集成电路存在雷同的名义温度，其功率耗散也可能完整差别。因而，在比拟两个功率集成电路时，假如不晓得功率耗散跟集成电路的封装参数，名义温度自身就不意思了。图2a. 简化热流门路后的IC跟封装横截面当初，对后面的热模子经由修正，满意工程方式的请求。咱们当初能够公道地假设，P D1 局部近似为零，并假设全部热量都流经管脚。于是等效电路可简化为图2b所示的电路。如许就能直接在IC名义丈量的结温。然而，经由过程下面完全热路咱们能够得悉，因为对流的存在，该名义温度将会稍低于现实结温。图2b. 简化后的热等效电路图2b中有一个用虚线表现的元器件，它代表结点到上名义的热系数psi(Ψ-)，结到器件名义Ψ th(j-top) 的热系数并非物理意思上的热阻，由于依据图2b中的热等效电路，实践上咱们曾经假设此偏向不热流。此门路的末了为开路的热绝缘状况。但即使如斯，封装上名义特定点的温度与结点温度之间仍存在某种关联。这种关联相似于热阻：当初，在盘算出功耗后，只要经由过程丈量IC名义的温度，就能断定EiceDRIVER™栅极驱动IC的均匀结温。热系数Ψ th(j-top) 包括在EiceDRIVER™数据表中，而且已斟酌氛围惹起的天然对流。它是经由过程仿真方式获取的，并未经由丈量验证。咱们能够经由过程优化体系中PCB地位，应用机柜内天然气流或强迫冷却的方式来改良EiceDRIVER™ IC的散热。简化模子的范围性该简化模子固然存在一些范围性，此中最主要的范围性包含以下多少点：1经由过程管脚到PCB的热传导跟器件名义天然对流所占的热流比率，或许说与利用装置前提的相干性：用户能够经由过程在IC名义粘贴或牢固小型散热器来改良IC名义散热，这确定会对Ψ值的成果发生影响，使该值变得更年夜。2当红外测温仪够不到芯片名义时，就须要在丈量点装置温度传感器：温度传感器必需与IC名义停止充足的热打仗。平日斟酌应用导热胶，但IC名义与传感器之间的任何胶层都市对成果发生影响。假如温度传感器较年夜，其热容也年夜，就会起到散热器的后果。3PCB计划对仿真成果的影响：PCB走线计划，特殊是直接衔接层的铜层厚度对全部散热后果有很年夜的影响。引脚处的较年夜铜面积或较厚的铜层可改良EiceDRIVER™ IC的散热。在带Ψ-值的数据手册中能够找到用于仿真Ψ-值的PCB计划作为前提。摘自EiceDRIVER™ 1ED32xxMC12H数据手册