文章來源：英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體

功率二極管晶閘管廣泛應(yīng)用于AC/DC變換器，UPS，交流靜態(tài)開關(guān)，SVC和電解氫等場(chǎng)合，但大多數(shù)工程師對(duì)這類雙極性器件的了解不及對(duì)IGBT的了解，為此我們組織了6篇連載，包括正向特性，動(dòng)態(tài)特性，控制特性，保護(hù)以及損耗與熱特性。內(nèi)容摘來自英飛凌《雙極性半導(dǎo)體技術(shù)信息》。

4.熱性質(zhì)

為了維持熱平衡，必須排出半導(dǎo)體中轉(zhuǎn)化為熱的電能損耗。為此，我們提供了具有明確冷卻性質(zhì)的散熱器。通過類比電氣電路來描述熱等效電路，如圖32所示。

圖32.二極管和晶閘管的熱等效電路

Rth JC=結(jié)-殼穩(wěn)態(tài)熱阻

Rth CH=殼-散熱器穩(wěn)態(tài)熱阻

Rth HA=散熱器穩(wěn)態(tài)熱阻

a–單面冷卻

b–雙面冷卻

4.1溫度

4.1.1 結(jié)溫Tvj,Tvj max

對(duì)于所有基本電氣性能而言，結(jié)溫是最重要的參照。它代表半導(dǎo)體系統(tǒng)內(nèi)的平均空間溫度，因此更準(zhǔn)確地稱為等效結(jié)溫或虛擬結(jié)溫。

最高允許結(jié)溫Tvj max對(duì)器件的功能和可靠性十分重要。如果超過Tvj max，半導(dǎo)體性能可能發(fā)生不可逆變化，并可能損壞。

4.1.2 殼溫TC

Tc是平板型晶閘管或二極管的殼或PowerBLOCK模塊的基板的接觸區(qū)域的最高溫度。

4.1.3 散熱器溫度TH

TH是指半導(dǎo)體通過散熱器接觸區(qū)域及其周圍的冷卻介質(zhì)與散熱器發(fā)生熱交換而使散熱器達(dá)到的溫度。

英飛凌提供的散熱器已在裝好元器件的情況下進(jìn)行了測(cè)試和規(guī)定。因此，給出的散熱器數(shù)據(jù)包含了器件和散熱器之間的熱阻RthCH。計(jì)算時(shí)可以不考慮此值。

4.1.4 冷卻介質(zhì)溫度TA

Ta是冷卻介質(zhì)進(jìn)入散熱器之前的溫度。對(duì)于空氣冷卻，在散熱器進(jìn)風(fēng)口側(cè)確定此溫度。對(duì)于液體冷卻，則在散熱器冷卻液進(jìn)口處確定此溫度。

4.1.5 殼溫范圍Tcop

Tcop是可以使功率半導(dǎo)體工作的殼溫范圍。

4.1.6 儲(chǔ)存溫度范圍Tstg

Tstg是功率半導(dǎo)體在不帶電情況下可以存儲(chǔ)的溫度范圍。最高允許儲(chǔ)存溫度與沒有時(shí)間限制的最高允許結(jié)溫?zé)o關(guān)，根據(jù)DIN IEC 60747-1，環(huán)氧樹脂平板型器件和PowerBLOCK模塊的最高允許儲(chǔ)存溫度為Tstg= 150℃，時(shí)間限制為672h。

4.2熱阻

4.2.1 內(nèi)熱阻RthJC

RthJC是結(jié)溫Tvj和殼溫TC之差與總耗散功率Ptot的比值：

該值取決于器件的內(nèi)部設(shè)計(jì)以及通態(tài)電流的波形和頻率。

由于熱阻的并聯(lián)，雙面冷卻的熱阻比單面冷卻的低（見圖32）。

熱阻取決于半導(dǎo)體的類型和形狀，因此不會(huì)100% 測(cè)量，但可以在最初的型式認(rèn)證試驗(yàn)中確定。

4.2.2 傳熱熱阻RthCH

RthCH是器件和散熱器接觸區(qū)域的溫度差TC-TH與總耗散功率Ptot的比值：

規(guī)定值僅在器件正確安裝時(shí)有效（見第8章）

4.2.3 散熱器熱阻RthCA

RthCA是殼溫TC和冷卻介質(zhì)溫度TA之差與總耗散功率 Ptot的比值：

4.2.4 總熱阻RthJA

RthJA是等效結(jié)溫Tvj和冷卻介質(zhì)溫度TA之差與總耗散功率Ptot的比值：

4.2.5 瞬態(tài)內(nèi)熱阻ZthJC

ZthJC描述了元件熱阻隨時(shí)間的逐漸變化。在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，ZthJC是用恒定直流規(guī)定的，還有一部用脈沖電流規(guī)定。此外，部分熱阻Rthn和時(shí)間常數(shù)tn被作為解析函數(shù)編在表中。

4.2.6 散熱器瞬態(tài)熱阻ZthCA

ZthCA描述了散熱器熱阻隨時(shí)間的逐漸變化。ZthCA在單獨(dú)數(shù)據(jù)手冊(cè)中有定義。此外，熱阻解析函數(shù)的 RthCAn和tn值被列于表格中。散熱器通常沒有一般定義的瞬態(tài)熱阻。一方面，瞬態(tài)熱阻取決于功率半導(dǎo)體和散熱器的接觸區(qū)域。另一方面，冷卻方法（自然冷卻/強(qiáng)制冷卻）和冷卻介質(zhì)的流動(dòng)也有很大的影響。

對(duì)于自然冷卻和油冷，冷卻介質(zhì)的流動(dòng)是由空氣或油的對(duì)流造成的。功率耗散限定了對(duì)流，因此實(shí)際功率耗散是針對(duì)自然冷卻和油冷確定的。必須注意散熱器的正確方向和位置。

對(duì)于強(qiáng)制冷卻和水冷，冷卻介質(zhì)的流量是指定的。

因脈沖電流造成的短期溫度變化與這些參數(shù)無關(guān)。它們被散熱器的大熱容量均衡了。

英飛凌提供的散熱器已在裝好元器件的情況下進(jìn)行了測(cè)試和規(guī)定。這些給定的散熱器數(shù)據(jù)包含了器件和散熱器之間的傳熱熱阻RthCH。因此，不必考慮此值。

4.2.7 總瞬態(tài)熱阻ZthJA

ZthJA描述了總熱阻隨時(shí)間的逐漸變化。根據(jù)瞬態(tài)總熱阻計(jì)算短時(shí)負(fù)載結(jié)溫。ZthJA是以下兩項(xiàng)的和：

4.3 冷卻

4.3.1 自然空氣冷卻

在自然空氣冷卻（空氣對(duì)流冷卻）過程中，通過空氣自然對(duì)流排出功率損耗。功率半導(dǎo)體的載流能力通常是在環(huán)境溫度TA=45°C的條件下確定的。

4.3.2 強(qiáng)制空氣冷卻

在強(qiáng)制空氣冷卻過程中，通過風(fēng)扇使冷空氣強(qiáng)制通過散熱器葉片。功率半導(dǎo)體的載流能力通常是在環(huán)境溫度TA=35°C的條件下確定的。

4.3.3 水冷

在水冷過程中，通過水排出功率損耗。功率半導(dǎo)體的載流能力通常是在進(jìn)口水溫TA=25°C的條件下確定的。

4.3.4 水冷

在油冷過程中，通過油排出功率損耗。功率半導(dǎo)體的載流能力通常是在進(jìn)口油溫TA=70°C的條件下確定的。

審核編輯 黃宇