功率器材热规划根底(五)——功率半导体热容

  热规划根底系列文章会比较体系地讲解热规划根底知识,有关规范和工程丈量方法。

  热容Cth像热阻Rth相同是一个重要的物理量,它们具有相似的量纲结构。热容和电容,都是描绘贮存才能物理量,平板电容器电容和热容的对照联系如图所示。

  热容Cth(单位为J/K)是表明热量Qth与温度差ΔT之间的联系,如式1所示。换句话说,热容能够被描绘为热量改动与温差的比值,即:

  某一确认资料的比热容cth是常数,单位为J/(kg·K)(见下表)。假如用式(2)替代式(1)中的ΔQth,则热容的联系变成:

  因为质量m=ρ·d·A(d是厚度,A是面积,ρ是密度),因而,可通过资料的比热容cth、相对密度ρ和体积来核算电力电子器材的热容。

  使用热阻Rth和热容Cth,能够构建一个相似RC低通电路的热模型,能够用瞬态热阻或热阻抗Zth表明这种模型,且每一个实践目标都具有热阻和热容。

  上图给出了瞬态热阻抗Zth,包含平板的热阻Rth和热容Cth。能够在时域中描绘热阻抗Zth,即因为热容,温差ΔT随时刻而改动,有:

  过渡进程的时刻在0~5τ,别离代表了到达终值0~99.3%的时刻。超越5τ或许99.3%今后的时刻被视作稳态(即热平衡)。这时假定ΔTmax不再改动,热容不再对热阻抗有任何的影响,这样就能够把热阻抗Zth与热阻Rth当作相同的。

  下图给出了热阻抗Zth随时刻的改动进程,能够终究靠ΔT(t)和Pth,C核算热阻抗,即:

  功率半导体结对壳的瞬态热阻抗Zthjc会在数据手册中给出,功率半导体常见的封装为带铜基板功率模块、不带铜基板的DCB模块和根据铜框架结构的单管,因为传热通路的资料不同,资料分量体积不同,所以瞬态热阻抗Zthjc不同。

  铜基板模块很重,主要是有铜基板,EconoDUAL™ 3的铜基板厚度3毫米,这对瞬态热阻抗Zthjc起着及其重要的效果,热量会在DCB两面的铜层和铜基板的纵向和横向分散,5τ值大于2秒(图表摘自FF900R12ME7_B11 900A 1200V半桥模块)。

  没有铜基板的DCB模块轻许多,DCB的覆铜厚度0.25-0.30mm,热容就比带铜基板的模块小许多,热量只会在DCB两面的铜层的纵向和横向分散,5τ值大约为0.4秒(图表摘自FS200R12W3T7_B11 200A 1200V三相桥模块)。

  单管没有DCB板,芯片直接焊在了铜框架上,芯片热量直接加在铜框架上,热能够在铜框架上很好的分散,5τ值大约为0.02秒(图表摘自IKY140N120CH7 140A 1200V IGBT单管)。

  本文介绍了热容的概念,提出了瞬态的热特性,并对比了不同封装的瞬态热阻,下一篇将具体的介绍瞬态热丈量。



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