关于芯片或者功率模块热相关计算

关于芯片或者功率模块热相关计算

1.热阻的概念
2.电子元件热阻的计算公式（大功率和小功率补充说明）
3.芯片热计算举例
4.功率模块热计算举例

1.热阻的概念
热阻指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值。单位为开尔文每瓦特（K/W）或摄氏度每瓦特（℃/W）。
当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，称为接触热阻。

上式中，为物体一端的温度、为物体另一端的温度以及为发热源的功率。

热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了 1W热量所引起的温升大小。用热功耗乘以热阻，即可获得该传热路径上的温升。可以用一个简单的类比来解释热阻的意义，换热量相当于电流，温差相当于电压，则热阻相当于电阻。

热路的计算的基本原则：从芯片内部开始算起，任何两点间的温差，都等于器件的功率乘以这两点之间的热阻。这有点像欧姆定律。任何两点之间的压降，都等于电流，乘以这两点间的电阻。

Tcmax：功率为P时允许的最大温升

TA：Temperature Ambient 芯片周围的环境温度
TC：Temperature Case芯片的外壳温度
TJ：Temperature Junction芯片内的结点温度

热阻RJA：芯片的热源结(Junction)到周围冷却空气(Ambient)的总热阻，乘以其发热量即获得器件温升。
热阻RJC：芯片的热源结到封装外壳间的热阻，乘以发热量即获得结与壳的温差。
热阻RJB：芯片的结与PCB板间的热阻，乘以通过单板导热的散热量即获得结与单板间的温差。

2.电子元件热阻的计算公式（大功率和小功率补充说明）

通用公式：Tcmax=TJ-P*(Rjc+Rcs+Rsa)
条件1：当功率晶体管的散热片heat sink足够大而且接触足够良好时，壳温TC=TA，晶体管外壳与环境间的热阻 Rca=Rcs+Rsa=0。
热阻公式：Tcmax=TJ-P*Rjc

条件2：散热片heat sink不大或者接触足够一般/较差的情况下：
热阻公式：Tcmax=TJ-P*（Rjc+Rcs+Rsa）
——其中，Rjc表示芯片内部至外壳的热阻；Rcs表示外壳至散热片的热阻；Rsa表示散热片到环境的热阻。

条件3：没有散热片情况下：
大功率半导体器件，热阻公式Tcmax=TJ-P*(Rjc+Rca)，其中Rca表示外壳至空气的热阻。
小功率半导体器件，热阻公式：Tcmax=TJ-P*Rja，其中Rja表示结到环境之间的热阻。

（1）、大功率器件的额定功率一般是指带散热器时的功率，散热器足够大时且散热良好时，可以认为其表面到环境之间的热阻为0，所以理想状态时壳温即等于环境温度。功率器件由于采用了特殊的工艺，所以其最高允许结温有的可以达到175度。但是为了保险起见，一律可以按150度来计算。

适用公式：Tc =Tj - P*Rjc。

设计时，Tj最大值为150,Rjc已知，假设环境温度也确定，根据壳温即等于环境温度，那么此时允许的P也就随之确定。

（2）、小功率半导体器件，比如小晶体管，IC，一般使用时是不带散热器的。所以这时就要考虑器件壳体到空气之间的热阻了。一般厂家规格书中会给出Rja，即结到环境之间的热阻.(Rja=Rjc+Rca)。

以三级管2N5551为例，其最大使用功率1.5W是在其壳温25度时取得的。
假设此时环境温度恰好是25度，又要消耗1.5W的功率，还要保证壳温也是25度，唯一的可能就是它得到足够良好的散热！
但是一般像2N5551这样TO-92封装的三极管，是不可能带散热器使用的。所以此时，小功率半导体器件要用到的公式是：

Tc =Tj - P*Rja。 Rja：结到环境之间的热阻。

一般小功率半导体器件的厂家会在规格书中给出这个参数。2N5551的Rja厂家给的值是200度/W。已知其最高结温是150度，那么其壳温为25度时，允许的功耗可以把上述数据代入Tc =Tj - PRja 得到 25=150-P200，得到P=0.625W。事实上，规格书中就是0.625W.因为2N5551不会加散热器使用，所以我们平常说的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W！
还有要注意，SOT-23封装的晶体管其额定功率和Rja数据是在焊接到规定的焊盘（有一定的散热功能）上时测得的。

（3）、另外告诉大家一个窍门，其实一般规格书中的最大允许储存温度其实也是最大允许结温。最大允许操作温度其实也就是最大允许壳温.最大允许储存温度时，功率P当然为0，所以公式变为Tcmax =Tjmax - 0*Rjc，即Tcmax =Tjmax。是不是很神奇！

最大允许操作温度，一般民用级（商业级）为70度，工业级的为80度.普通产品用的都是民用级的器件，工业级的一般贵很多。

热路的计算，只要抓住这个原则就可以了：从芯片内部开始算起，任何两点间的温差，都等于器件的功率乘以这两点之间的热阻.这有点像欧姆定律。任何两点之间的压降，都等于电流乘以这两点间的电阻。

不过要注意，热量在传导过程中，任何介质，以及任何介质之间，都有热阻的存在，当然热阻小时可以忽略，比如散热器面积足够大时，其与环境温度接近，这时就可以认为热阻为0.
如果器件本身的热量就造成了周围环境温度上升，说明其散热片（有散热片的话）或外壳与环境之间的热阻比较大！这时，最简单的方法就是直接用Tc =Tj - P*Rjc来计算。

其中Tc为壳温，Rjc为结壳之间的热阻.如果你Tc换成散热片（有散热片的话）表面温度，那么公式中的热阻还必须是结壳之间的加上壳与散热器之间的在加散热器本身的热阻！

另外，如果你的温度点是以环境来取点，那么，想想这中间包含了还有哪些热路吧。比如，散热片与测试腔体内空气之间的热阻，腔体内空气与腔体外空气间的热阻。这样就比较难算了。《百度百科》

3.芯片热计算举例

三级管2N5551 规格书中给出25度（Tc）时的功率是1.5W§，Rjc是83.3℃/W。
此代入公式有：25=Tj-1.5*83.3，可以从中推出Tj为150度。

芯片最高温度一般是不变的。所以有Tc=150-Ptc*83.3，其中Ptc表示温度为Tc时的功耗。

假设管子的功耗为1W，那么，Tc=150-183.3=66.7度。注意，此管子25度（Tc）时的功率是1.5W，如果壳温高于25度，功率就要降额使用.规格书中给出的降额为12mW/度（0.012W/度）。我们可以用公式来验证这个结论.假设温度为Tc，那么，功率降额为0.012(Tc-25）。则此时最大总功耗为1.5-0.012*(Tc-25）。把此时的条件代入公式得出： Tc=150-（1.5-0.012*(Tc-25））×83.3，公式成立.。

一般情况下没办法测Tj，可以经过测Tc的方法来估算Ttj，公式变为： Tj=Tc+PRjc。
同样以2N5551为例.假设实际使用功率为1.2W，测得壳温为60度，那么： Tj=60+1.283.3=159.96此时已经超出了管子的最高结温150度了！
按照降额0.012W/度的原则，60度时的降额为（60-25）×0.012=0.42W,1.5-0.42=1.08W。
也就是说，壳温60度时功率必须小于1.08W，否则超出最高结温.假设规格书没有给出Rjc的值，可以如此计算： Rjc=(Tj-Tc)/P，如果也没有给出Tj数据，那么一般硅管的Tj最大为150至175度.同样以2N5551为例。

知道25度时的功率为1.5W，假设Tj为150，那么代入上面的公式： Rjc=（150-25）/1.5=83.3 如果Tj取175度则 Rjc=（175-25）/1.5=96.6 所以这个器件的Rjc在83.3至96.6之间.如果厂家没有给出25度时的功率.那么可以自己加一定的功率加到使其壳温达到允许的最大壳温时，再把数据代入：
Rjc=(Tjmax-Tcmax)/P
有给Tj最好，没有时，一般硅管的Tj取150度。

4.功率模块热计算举例
以功率模块IGBT模块为例：

（1）IGBT稳态热方程式：
IGBT模块的热传导可以代入电气电路进行计算。此处仅考虑将IGBT模块安装至散热器时的情况。此时，热特性可代入图所示的等效电路。
　根据图所示的等效电路，可通过以下热方程式计算结温(Tj)。

但是，此处所说的冷却液入口温度Twin为图所示位置的温度。图所示以外的点的实际测量温度较低，并且受水套的散热性能影响，因此设计时需注意。

（2）IGBT瞬态热方程式
一般情况下，如上所述，根据平均电力损耗考虑稳态时的Tj即可，但实际上每次反复开关时产生的损耗和热呈脉冲状，因此，将产生温度脉动，如图3-7所示。此时，如果将产生的损耗作为固定周期且固定峰值的连续矩形波脉冲，则可以使用规格书中记载的所图所示的瞬态热阻曲线，近似计算温度波动的峰值(Tjp)。

温度波动：

瞬态热阻曲线：

结温计算：

在模块内部IGBT芯片的最大可允许结温是150℃(或175℃)，这一额定值在任何情况下都是不允许超过的，最好是在最恶劣的条件下的最高结温限定在125℃或更低。半导体器件在额定结温以下工作，可靠性就可以提高。由上面计算出IGBT的总平均功耗和散热器的最高允许温度，芯片的结温就可以通过热阻的概念推算出来，检验所设计的散热器是否合理，可通过散热器的热阻，IGBT模块的热阻等核算最高热阻等核算最高结温来验证：

TC:IGBT模块的基版温度，通过IGBT模块的接触热阻Rth(c-k)，可从散热器的设计温度或测量温度计算得到。这样就可以核算出设计的散热器是否合理，若Ti≤125℃，即为你的热设计合理。通常情况下，散热器的最高温度TK≤80℃时，结温Tj≤125℃就可以满足。

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