功率器件热设计基础（十一）——功率半导体器件的功率端子

/ 前言 /

功率半导体热设计是实现IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基础，只有掌握功率半导体的热设计基础知识，才能完成精确热设计，提高功率器件的利用率，降低系统成本，并保证系统的可靠性。

功率器件热设计基础系列文章会比较系统地讲解热设计基础知识，相关标准和工程测量方法。

功率器件的输出电流能力

器件的输出电流能力首先是由芯片决定的，但是IGBT芯片的关断电流能力很强，在单管里是标称电流的3倍或4倍，模块由于考虑多芯片并联等因素，关断电流能力定义为标称电流的2倍。

在实际系统设计中，器件输出电流能力往往受限于芯片的散热，在器件设计中也有可能受限端子，这可以从封装中的大电流规格器件中看出，其电流受绑定线（引线）的限制。

如IKQ150N65EH7，一个TO-247封装的150A 650V单管，其集电极直流电流在Tc=25℃时和Tc=100℃一致，都是160A，限制是引线。

摘自IKQ150N65EH7数据手册

再看一个900A 1200V的EconoDUAL3模块，其关断电流能力可以到1800A。这样如果芯片温度不超过Tvjmax，输出有效值电流是1289A，但受功率端子限制，ITRMS=580A。

摘自FF900R12ME7_B11数据手册

功率端子和引线损耗

功率端子的温升取决于器件引线的损耗，现代逆变器设计必须考虑到IGBT模块引线中的功率损耗。这是由于半导体的芯片威廉希尔官方网站 的进步，总损耗随着电流密度的增加而不断降低，相同封装可以放电流规格更大的芯片，端子损耗就必须考虑。

模块引线电阻，即端子到芯片的电阻值RCC’+EE’，会造成的损耗，其在数据手册中标出，对于中大功率模块是个不小的数值。

EconoDUAL3 FF900R12ME7模块引线电阻，端子到芯片的电阻值0.8mΩ，900A时压降0.72V，在900A时，功耗高达648W，这是不能接受的，所以在数据手册中规定的端子的输出电流ITRMS=580A，这时损耗大约在250W。

FF900R12ME7电流和引线损耗

如果选择PrimePACK封装，其最大规格做到了2400A半桥，这样的模块引线电阻小很多，原因是端子采用铜排结构。FF900R12IE4，900A 1200V模块端子到芯片的电阻值0.3mΩ，900A时压降0.27V，功耗仅243W，只有EconoDUAL3 FF900R12ME7的38%。

功率端子的散热

功率端子和引线的功率损耗不可小觑，散热是必要的。

功率端子的热模型如下图，热量从温度为Tmax的系统最热点出发，其有两条散热路径，一是通过功率端子到母排向空间散热，路径上热阻有RthTB功率端子到母排的热阻，RthBA母排到环境的热阻。二是通过DCB、金属基板到散热器的，路径上热阻有RthSC功率端子到管壳的热阻，由功率端子的几何形状、连接威廉希尔官方网站 和与DCB绝缘陶瓷衬底决定，RthCH管壳到散热器的热阻，由导热脂和金属基板热量扩散决定。

图1.功率端子的热流

案例分析

模块的功率端子：

对于大电流的模块，降低功率端子的损耗也是设计的重要目标，而且比降低芯片损耗要相对容易。以英飞凌最大电流规格的模块为例，它们是3600A 1700V，IHM A封装（图2左）和IHM B（图2右）的IGBT模块。

图2.两种不同的功率端子

它们在功率端子设计上的区别为，IHM A的端子通过焊点与DCB连接，并在主平面上有一个用于机械去耦外力的缓冲。改进后的IHM B中取消了蜿蜒曲折缓冲结构的设计，引入了用于机械解耦的弯曲设计。这将降低端子电阻，从而减小温度梯度。此外，通过增加端子与DCB之间的接触面降低RthSC。

另一个不同之处是安装孔，IHM A安装孔是腰圆孔，而IHM B由于端子精度高，可以直接用圆孔，为母线提供了更大的接触面。功率端子的电阻从0.22mΩ降低了0.11mΩ，损耗占比从5.8%降到了2.9%。热阻RthSC从0.35K/W降低到了0.07K/W，Tmax从105°C降至94°C（1。图2也显示了在相同条件下两种设计的温度分布。

从端子到散热器和母排的热流

在应用中，损耗热量PT在模块电源端子中产生，损耗热量PB在母排中产生。热流如图1所示。功率端子的损耗热流PTH通过RthSC和RthCH从温度为TS的端子流向温度为TH的散热器。母排的损耗热量PBA从温度为TB的母线流向温度为TA的环境空气，热阻为RthBA。

关键在于，总损耗热量PTB也会通过热阻RthTB在端子和母线之间进行交换，这取决于母线连接的质量。

下图是HE3模块端子在特定母排下的测得热阻进行得分析，为了使计算线性化，假定电阻和所有热阻与温度无关。条件是I=440A和TH=80°C，环境温度TA变化。

不出所料，系统中最热的点是功率端子，TA=70°C时温度升至TT=132°C。母排达TB=102°C。（案例省略了实验的配置，数值只供定性参考）

在室温下，大部分热量会通过母排散发到环境空气中，但当环境空气的温度达到散热器的温度时，母排就不再有散热作用了。

本文利用数据手册上的值分析的功率端子和引线的损耗，无论是单管还是模块在大电流下损耗和发热不能小觑。

在系统设计中，母排也是很好的散热通路，文章中只对某个实验做了解读，只能做定性参考。