功率器件熱設計基礎（十一）——功率半導體器件的功率端子

/ 前言 /

功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎，只有掌握功率半導體的熱設計基礎知識，才能完成精確熱設計，提高功率器件的利用率，降低系統成本，并保證系統的可靠性。

功率器件熱設計基礎系列文章會比較系統地講解熱設計基礎知識，相關標準和工程測量方法。

功率器件的輸出電流能力

器件的輸出電流能力首先是由芯片決定的，但是IGBT芯片的關斷電流能力很強，在單管里是標稱電流的3倍或4倍，模塊由于考慮多芯片并聯等因素，關斷電流能力定義為標稱電流的2倍。

在實際系統設計中，器件輸出電流能力往往受限于芯片的散熱，在器件設計中也有可能受限端子，這可以從封裝中的大電流規格器件中看出，其電流受綁定線（引線）的限制。

如IKQ150N65EH7，一個TO-247封裝的150A 650V單管，其集電極直流電流在T _c =25℃時和T _c =100℃一致，都是160A，限制是引線。

摘自IKQ150N65EH7數據手冊

再看一個900A 1200V的EconoDUAL?3模塊，其關斷電流能力可以到1800A。這樣如果芯片溫度不超過T _vjmax ，輸出有效值電流是1289A，但受功率端子限制，I _TRMS =580A。

摘自FF900R12ME7_B11數據手冊

參考微信文章 《功率半導體冷知識之二：IGBT短路時的損耗》

功率端子和引線損耗

功率端子的溫升取決于器件引線的損耗，現代逆變器設計必須考慮到IGBT模塊引線中的功率損耗。這是由于半導體的芯片技術的進步，總損耗隨著電流密度的增加而不斷降低，相同封裝可以放電流規格更大的芯片，端子損耗就必須考慮。

模塊引線電阻，即端子到芯片的電阻值R _CC’+EE’ ，會造成的損耗，其在數據手冊中標出，對于中大功率模塊是個不小的數值。

EconoDUAL?3 FF900R12ME7模塊引線電阻，端子到芯片的電阻值0.8mΩ，900A時壓降0.72V，在900A時，功耗高達648W，這是不能接受的，所以在數據手冊中規定的端子的輸出電流I _TRMS =580A，這時損耗大約在250W。

FF900R12ME7電流和引線損耗

如果選擇PrimePACK?封裝，其最大規格做到了2400A半橋，這樣的模塊引線電阻小很多，原因是端子采用銅排結構。FF900R12IE4，900A 1200V模塊端子到芯片的電阻值0.3mΩ，900A時壓降0.27V，功耗僅243W，只有EconoDUAL?3 FF900R12ME7的38%。

功率端子的散熱

功率端子和引線的功率損耗不可小覷，散熱是必要的。

功率端子的熱模型如下圖，熱量從溫度為T _max 的系統最熱點出發，其有兩條散熱路徑，一是通過功率端子到母排向空間散熱，路徑上熱阻有R _thTB 功率端子到母排的熱阻，R _thBA 母排到環境的熱阻。二是通過DCB、金屬基板到散熱器的，路徑上熱阻有R _thSC 功率端子到管殼的熱阻，由功率端子的幾何形狀、連接技術和與DCB絕緣陶瓷襯底決定，R _thCH 管殼到散熱器的熱阻，由導熱脂和金屬基板熱量擴散決定。功率端子分享了芯片的散熱路徑，是并聯關系，請參閱 《功率器件的熱設計基礎（二）---熱阻的串聯和并聯》 。

圖1.功率端子的熱流

案例分析

模塊的功率端子：

對于大電流的模塊，降低功率端子的損耗也是設計的重要目標，而且比降低芯片損耗要相對容易。以英飛凌最大電流規格的模塊為例，它們是3600A 1700V，IHM A封裝（圖2左）和IHM B（圖2右）的IGBT模塊。

圖2.兩種不同的功率端子

它們在功率端子設計上的區別為，IHM A的端子通過焊點與DCB連接，并在主平面上有一個用于機械去耦外力的緩沖。改進后的IHM B中取消了蜿蜒曲折緩沖結構的設計，引入了用于機械解耦的彎曲設計。這將降低端子電阻，從而減小溫度梯度。此外，通過增加端子與DCB之間的接觸面降低R _thSC 。

另一個不同之處是安裝孔，IHM A安裝孔是腰圓孔，而IHM B由于端子精度高，可以直接用圓孔，為母線提供了更大的接觸面。功率端子的電阻從0.22mΩ降低了0.11mΩ，損耗占比從5.8%降到了2.9%。熱阻R _thSC 從0.35K/W降低到了0.07K/W，T _max 從105°C降至94°C ^（1 。圖2也顯示了在相同條件下兩種設計的溫度分布。

從端子到散熱器和母排的熱流

在應用中，損耗熱量P _T 在模塊電源端子中產生，損耗熱量P _B 在母排中產生。熱流如圖1所示。功率端子的損耗熱流P _TH 通過R _thSC 和R _thCH 從溫度為T _S 的端子流向溫度為T _H 的散熱器。母排的損耗熱量P _BA 從溫度為T _B 的母線流向溫度為T _A 的環境空氣，熱阻為R _thBA 。

關鍵在于，總損耗熱量P _TB 也會通過熱阻R _thTB 在端子和母線之間進行交換，這取決于母線連接的質量。

下圖是HE3模塊端子在特定母排下的測得熱阻進行得分析，為了使計算線性化，假定電阻和所有熱阻與溫度無關。條件是I=440A和T _H =80°C，環境溫度T _A 變化。

不出所料，系統中最熱的點是功率端子，T _A =70°C時溫度升至T _T =132°C。母排達T _B =102°C。（案例省略了實驗的配置，數值只供定性參考）

在室溫下，大部分熱量會通過母排散發到環境空氣中，但當環境空氣的溫度達到散熱器的溫度時，母排就不再有散熱作用了。

本文利用數據手冊上的值分析的功率端子和引線的損耗，無論是單管還是模塊在大電流下損耗和發熱不能小覷。

在系統設計中，母排也是很好的散熱通路，文章中只對某個實驗做了解讀，只能做定性參考。