功率器件作為電力電子裝置的核心器件,，在設計及使用過程中如何保證其可靠運行，一直都是研發(fā)工程師最為關心的問題,。功率器件除了要考核其電氣特性運行在安全工作區(qū)以內,，還要對器件及系統(tǒng)的熱特性進行精確設計,，才能既保證器件長期可靠運行，又充分挖掘器件的潛力。而對功率器件及整個系統(tǒng)的熱設計，都是以器件及系統(tǒng)的熱路模型為基礎來建模分析的,，本文對IGBT模塊的等效熱路模型展開基礎介紹，所述方法及思路也可用于其他功率器件的熱設計,。

　　表征熱特性的物理參數有兩個：熱阻R和熱容C,，熱阻R是反映物體對熱量傳導的阻礙效果，而熱容C則是衡量物質所包含熱量的物理量,。一般物質上都同時存在熱阻和熱容兩個特性,，并且由于熱阻和熱容特性的同時作用，又產生了瞬態(tài)熱阻抗Zth的特性,。

　　一般業(yè)界有兩種等效熱路模型來描述功率器件的熱特性：連續(xù)網絡模型和局部網絡模型,，又稱Cauer 模型和Foster模型，或者簡稱T型模型和π型模型,。如圖1所示,。

　　如圖1（a），Cauer模型的結構比較真實的反應出真實的熱阻熱容物理結構,。如果散熱系統(tǒng)中每一層的材料的特性參數都已知時，可以通過理論計算公式來建立這種模型,。并且,，模塊內的每一層（從芯片、芯片的焊接層,、絕緣襯底,、襯底焊接層、到底板）都有一對R/C參數來對應,，因此通過圖1（a）中的節(jié)點就可以得到每層物質的溫度,。但對實際系統(tǒng)，在熱傳遞中很難確定熱流在每一層中的分布,，因此實際建模時一般不使用Cauer模型,。

　　與Cauer模型不同，圖1（b）中的Foster模型的R/C參數雖然不再與各材料層相對應,，網絡節(jié)點也沒有任何物理意義,，但是該模型中的R/C參數很容易從實際測量得到的瞬態(tài)熱阻抗Zth曲線上擬合提取出來，因此該模型往往用于實際建模,、仿真計算芯片的結溫,。英飛凌IGBT模塊的數據手冊上就分別給出了IGBT芯片與反并聯二極管芯片的Zthjc曲線,，以及基于Foster模型回路的四階參數列表（以熱阻ri和時間常數τi對應組合的形式），如圖2所示為英飛凌FF600R12ME4模塊的瞬態(tài)熱阻抗曲線,。

　　那么IGBT加散熱器的系統(tǒng)建模是用Cauer模型還是Foster模型呢,？

　　用戶經常會想避免測量的花費，從而想利用目前已有的IGBT和散熱器熱參數搭建熱路模型圖,。Cauer熱路模型和Foster熱路模型都提供描述了IGBT的結到殼與散熱器到周圍環(huán)境的熱傳遞過程,。如果要將IGBT和散熱器的模型合并在一起，使用哪個模型更適合呢,？

　　Cauer熱路模型中的IGBT和散熱器：

　　圖3.合并的系統(tǒng)熱路模型——Cauer模型

　　Cauer熱路模型中每部分都實際對應各材料層,，從而使得熱傳遞過程物理意義清晰，即各材料層是逐層傳遞熱量的,。熱量流動（類比于電路中的電流）經過一段時間延遲后到達并加熱散熱器,。Cauer熱路模型可以通過仿真或者由一個測量的Foster熱路模型變換得到。

　　通過對整個結構的每一層材料分析和有限元建模仿真,，很明顯可以建立一個Cauer模型,。但這只有在包含了某一特定的散熱器時才是可能的，因為散熱器對IGBT里熱量的傳遞有相互耦合作用的影響,，因此也對熱響應時間和IGBT的Rthjc有影響,。如果實際中的散熱器與仿真中用的散熱器不一樣，那么就不能通過仿真來對實際的散熱器進行建模,。

　　在數據手冊中一般會給出Foster熱路模型的參數,，因為這是基于測量得到的結果?？梢詫oster熱路模型進行數學處理變換為Cauer熱路模型,，但是這樣變換的結果卻不是唯一的，因為可以有很多種可能的R/C組合的取值,，且變換后新的Cauer熱路模型中的R/C值和節(jié)點都沒有明確的物理意義了,。一個變換后得到的不能與其它熱路模型對應起來的Cauer熱路模型往往會帶來各種錯誤。

　　Foster熱路模型中的IGBT和散熱器：

　　數據手冊里給出的IGBT的Foster熱路模型是根據采用某一特定散熱器散熱時測量得到的,。對于風冷的散熱器,，由于模塊中的熱流分布廣泛，因此在測量時有更好更低的Rthjc,。而對于水冷散熱器,，由于熱流分布受限制，因此測量時得到相對更高的Rthjc,。英飛凌在數據手冊中描述模塊特性時,，是采用基于水冷散熱器的Foster熱路模型，即采用了相對不利的散熱工作情況來描述模塊熱特性,，因此采用這樣的熱特性做系統(tǒng)設計時對模塊有更高的安全系數,。

　　由于IGBT和散熱器的兩個熱路網絡串聯,，因此注入芯片的功率——類比于圖4中的電流——沒有延時的立即傳到散熱器上。因此在最初階段,，結溫的上升依賴于采用的散熱器的種類,，實際上是依賴于散熱器的熱容量。

　　然而,，風冷系統(tǒng)中散熱器的時間常數從幾十到幾百秒,，這遠遠大于IGBT本身的大約為1s的時間常數。在這種情況下,，散熱器的溫度上升對IGBT溫度只有很小的影響,。而對于水冷系統(tǒng)，這個影響則很大,，由于水冷系統(tǒng)的熱容量相對低,，即時間常數相對較小。因此,，對于“非?？臁钡乃渖崞鳎鐚GBT基板直接水冷的系統(tǒng)而言,，應該測量IGBT加上散熱器的整個系統(tǒng)的Zth,。

　　由于對模塊中的熱量傳遞有耦合相互作用的影響，因此無論是在Cauer熱路模型還是在Foster熱路模型中,，只要IGBT和散熱器的建模和Zth的測量是彼此獨立分開的,，IGBT和散熱器的連接使用就可能有問題。而要克服這個問題,，則要將IGBT模塊和散熱器做整體熱建?；蛘邔崪y其瞬態(tài)熱阻抗。一個完全沒有問題的IGBT加散熱器系統(tǒng)的建模只能通過測量熱阻Zthja得到,，即同時對通過IGBT的結、導熱膠和散熱器到環(huán)境的整個熱量流通路徑進行測量,。這就是建立整個系統(tǒng)的Foster熱路模型,，通過這個模型就可以準確地算出結溫。

　　對于散熱器熱平衡時間為幾十秒甚至上百秒的,，計算芯片結溫Tvj可不用考慮散熱器的溫升,，使用公式（3）即可。如果是系統(tǒng)熱平衡時間是幾秒級的,，需要考慮散熱器溫升時可使用公式（5）計算,。如需更精確的包括接觸面導熱硅脂的多階熱阻模型，則需要用實驗標定曲線Zthja來提取其模型,。