IGBT模块参数详解三-热阻特性

IGBT模块的耗散功率以及额定电流的值抛开IGBT模块温度及热阻的规定是没有意义的，因此，为了比较不同的功率器件性能，有必要分析他们的热特性。IGBT模块功率损耗产生的热量会使器件内部的结温升高，进而降低器件及IGBT变流器性能并缩短寿命。让从芯片结点产生的热量消散出去以降低结温是非常重要的，瞬态热阻抗Zthjc(t)描述了器件的热量消散能力。热阻Rth的定义为硅片消耗功率并达到热平衡时，消耗单位功率导致结温相对于外部指定点的温度上升的值，是衡量IGBT散热能力的关键因素。
R_θJC(结到壳热阻)：是指每个开关管结合部(硅片)同外壳(模块底板)之间的热阻。该值大小完全取决于封装设计及内部框架材料。R_θJC通常在Tc=25℃条件下测得，可由下式计算： Tc=25℃是采用无穷大散热器的条件，及外壳的温度与环境温度一样，该散热器可以达到Tc=Ta。
IGBT模块产品手册分别规定了IGBT和反并联二极管的R_ΘJC值。
R_ΘCS(接触热阻，壳到散热器)：是指模块底板与散热器之间热阻。该值与封装形式、导热硅脂的类型和厚度以及与散热器的安装方式有关。
R_ΘSA(散热器到大气的热阻)：取决于散热器的几何结构、表面积、冷却方式及质量。
当描述带基板的功率模块或分立器件的热特性时时，需要观察芯片结点、外壳、散热器的温度。手册中结到底板的热阻及底板到散热器的热阻规范如下图所示，底板到散热器的热阻R_thCH定义了一个在规定的热界面材料条件下的典型值。 热阻Rth描述了IGBT模块在稳定状态下的热行为，而热阻抗Zth描述了IGBT模块的瞬态或者短脉冲电流下的热行为。Rth只能描述DC工作模式，大部分IGBT实际应用是以一定的占空比进行开关动作。这种动态条件下，需要考虑采用热阻加热容的方法描述其等效电路。下图显示瞬态热阻抗ZthJC是作为时间的函数，ZthJC(t)到达最大值R_θJC时饱和。 单个脉冲曲线决定了以一定占空比(D)的连续脉冲工作状态下的热阻，如下式： 式中：Zthjc(t)为占空比为D的连续脉冲瞬态热阻，Sthjc(t)：单个脉冲瞬态热阻 IGBT模块的功耗主要是通过不同材料从芯片消散到散热器，每一种功率耗散路径上的材料都具有自身的热特性。因而，IGBT模块的热阻抗行为可以使用合适的系数进行建模，得到了上图a的热阻抗曲线ZthJC(t)。图b中单独的RC元素没有物理意义，它们的值是由相应的分析工具，从测量的模块加热曲线上提取得到。
规格书包含了部分分数系数，如上图a中表格所示。电容的值可以由下式所得： IGBT模块的热阻分布及等效电路图如下图所示： 假定散热器是等温的，则有 热传输与电流传输有极大的相似性，遵从热路欧姆定律，可用上图的等效电路描述热量消散通道。从芯片结点到环境中的整体热阻以R_θJA表示，等效电路可由下式描述：  
IGBT模块一个桥臂的热阻与桥臂内IGBT及二极管的热阻关系如下图所示： 如果给定模块的热阻R_thCH，可以由下式计算每个IGBT和二极管的热阻： 下图为逆变器在不同的工作频率下IGBT结温的仿真结果： 由上图可见，即使相同的功耗，不同的工作频率会导致Tj较大的偏差，若要获得详细仿真结果，可由器件供应商的仿真软件仿真得到。