Philips Semiconductors_ Thermal Management

1. Philips Semiconductors_ Thermal Management Chapter 7_1:Thermal Considerations for Power Semiconductors Yi Dao 2006_03_05-15

2. Section 7-1: 被动元件 当The perfect power switch是不存在的.所有的功率半导体在on-state及on/off状态转换时均会在内部消耗能量.Switch的工作能力因此依赖于其内部功耗的总量以及功率消耗所带来的silicon junction的温升.所以说,熟悉功率半导体的热特征,以及能够计算功耗的最大限制值,junction的温升,对设计者是很重要的.本章分两部分,第一部分描述半导体基本的热特征,按照连续模式及脉冲模式来解释the concept of a limit.第二部分举例说明结温计算,在不同的脉冲波形下.

3. Part One: The power dissipation limit 功耗限制 最大允许功耗对功率(晶体)管的安全运行区域形成了一个限制区.功耗导致结温的上升,然后会发生一个化学和metallurgical(冶金的)变化,变化率与温度呈指数关系, 因此,当功率(晶体)管长时间工作于其结温额定值上时容易导致其寿命减短. 所以,要保证器件工作于其功耗额定值(综合考虑热阻)之下,以保证结温不会超过rating值.所有功率半导体都有其功耗限制.对整流元件,如diodes, thyristors, triacs(三端双向可控硅开关元件),其功耗额定值可以很容易地由其电流额定值转换过来; 在通态时其电压降很容易定义. 晶体管有时更复杂. 晶体管,包括功率MOS或双极型晶体管,在不同电路条件下其导通状态可以工作于任何电压,直至其MAX额定值.因此有必要定义一个安全工作区(SOA, safe operating area),按照电压和电流的工作边界来定义功率耗散限制.这些工作区通常提供于基板温度为25°C时.在高温下,工作条件必须被CHECK以保证结温不会超规格.Rth(j-mb) 指的是从junction到mounting base(die之基板)的热阻;Rth(j-c) 指的是从junction到case的热阻.对大多数package来说, Rth(j-mb和Rth(j-c) 是一样的.

4. Part One:Continuous power dissipation 连续性的功耗 半导体的整个功耗或许可以通过其导通电压和前向传导电流的乘积来计算.器件junction上的heat dissipated通过junction和mounting base间的热阻来传导,热等效电路如图1示.Ptot可以当成一个热电流,在junction和基板之间的温差, △Tj-mb可看成一个热电压.模拟欧姆定律,得出:Ptot=(Tj-Tmb)/(Rthj-mb) 图2显示了最大功耗与基板温度的关系.Ptot_max被限制通过最大温差△Tj-mb_max=Tjmax-Tmb_K,或者通过最大结温Tjmax(Tmb_K通常为25°C,是Tmb能够维持最大功耗在安全区域内的值.第一种情况下,Tmb≤Tmb_K: Ptot_max_K= △Tj-mb_max /(Rthj-mb),也就是功耗有一个固定的限制值(Ptot_max_K是指在小于Ｔmb_K时最大直流功耗).如果功率管跟随着基板温度Tmb1,其结温将小于Tjmax(=Tmb_K-Tmb1),如图２虚线示．在另一种情况下，Tmb＞Tmb_K: Ptot_max= Tjmax-Tmb /(Rthj-mb),也就是说如图2,当基板温度上升时功耗必须减少.热阻越小,图中斜线斜率越大.Tmb是最大的基板温度在正常工作时的．

5. Part One:Ｅxample 一个晶体管数据如下：Ptot_max_K=75W; Tj_max=175°C; Rthj-mb ≤2K/W要求提供连续工作时最大基板温度在80°C时最大允许功率损耗.注意Tmb最大值被选择的比最大环境温度高许多以避免过大的散热器被要求使用.从图4可得到: 假设功率管工作于SOA区域,这个值是被允许的,因为其小于最大功耗.

6. Part One: Pulse Power Operation 当功率管承受的是脉冲负载时,它可以承受更高的峰值功耗.功率管内部的材质具有一定的热容量(thermal capacity),因此,临界的结温不会立刻达到,甚至当更多的LOSS发生在器件上.对这种间歇性的工作状态器件的功耗限制可以加大.加大的程度取决于脉冲的持续时间,以及脉冲的频率.当功率管开始工作,器件立即开始升温（warm up）.如果持续有功率消耗,在发热和散热间将建立一个平衡状态,导致Tj 和ΔTj-mb的稳定.一些热能将存贮在器件内,稳态条件决定于器件的热阻和外部环境.当功耗停止时,器件将降温(升温和降温规律是一样的),如图5示.然后,如果在功率管到达稳态温度前就停止功率消耗, Tj 和ΔTj-mb的峰值温度将小于连续功耗所造成的温度.如果第二个脉冲和第一个一样,在第二个脉冲结束时器件所达到的峰值温度将大于第一个脉冲结束时的温度.更多的脉冲将使温度一直升高,直到新的稳态建立. 如图7示.稳态时元件的温度将在平衡点上下波动. 如果向上的波动温度超过Tj的限制,元件的期望寿命可能会减少. 这有可能发生在高压,小的DUTY脉冲,尽管平均功率低于器件的直流额定值.

7. Part One: Pulse Power Operation 图8显示了一个功率MOS典型的直流运行安全工作区.矩形波脉冲有固定的DUTY,脉冲持续时间Tp.边界线代表工作区最大可能的扩展,对一定的脉冲时间.当脉冲时间非常短时,功耗不再是限制条件,脉冲电流和最大电压形成限制条件.这个矩形代表最大可能的脉冲工作区域.一般来说,脉冲越短,频率越低,结温上升的越小.用公式表示:Ptot_M=(Tj-Tmb)/Zthj_mb,此处Zthj_mb是Junction与基板之间的暂态热阻.它与脉冲时间Tp,Duty有关.δ=tp/T.图9所示为对应于脉冲宽度的热阻的一族曲线,DUTY也是一个参数.另外,最大脉冲功耗受限于最大温差ΔTj-mb_max或者最大结温Tj_max.Ptot_max_K=ΔTj-mb_max/Zthj_mb( Tmb≤Tmb K); Ptot_M_max=(Tjmax-Tmb)/Zthj_mb,(Tmb>Tmb_K).从上可看出,当低于基板温度时,最大功耗有一个固定的限制值;当高于基板温度时,功耗必须随着基板温度上升而线性降低.

8. 短脉冲时间: 当脉冲持续时间非常短时,由于功率管内部的热容量,结温的波动变得非常小,可忽略不计. 因此,可以只考虑由于平均功耗引起的Junction温升. Ptot(av)=δ*Ptot_M; δ=tp/T; 暂态热阻变成了 Zthj-mb曲线当Tp变小时渐近地逼近这个值,如图9示,当D处于0.1-0.5间,在Tp=10^-6 S时上式的值实际上已经到达. 长脉冲时间: 当脉冲持续时间增加,结温在接近于脉冲结束时逼近稳态值.暂态热阻趋向于连续功耗的热阻,即: 图9显示Zthj-mb临近这个值当Tp变大时.一般来说,transient thermal effects die out in most power transistors within 0.1 to 1.0 seconds.这个时间与case的材料和结构,chip的尺寸,贴片的方式及其它因数有关系.脉冲的持续时间超过这个时间后和一个连续的负载的影响差不多. Single-shot pulses: 当DUTY变得非常小时,结温在脉冲的间隔时间内会变得完全cool down,以致于每个脉冲可以看成单独的.当考虑为单个脉冲时, Zthj-mb的值在D=0时在图9中可给出一个非常准确的结果.

9. Part Two: Calculating Junction Temperatures 结温的计算 功率半导体许多应用情况下都会牵涉到不到形式的脉冲模式工作状态.这一部分分类举例说明如何对结温进行简单的计算.包括以下几种波形:1)periodic waveforms2)single shot 3)composite waveforms4)a pulse burst5)non rectangular pulses从可靠性的角度来看,最重要的当功率管工作于上述波形时,junction的峰值温度,平均温度是多少.峰值结温通常发生在所施加脉冲的结束时,它可用暂态热阻进行计算.平均结温往往是通过用直流热阻算出平均功耗后再来计算.当评估一个器件的结温时,下列公式可用到: Tj=Tmb+△Tj_mb.在所有下列例子中，基板温度Ｔmb假设是75°C.

10. Periodic Rectangular Pulse 图11所示为周期性的短形脉冲.这种脉冲多用在switching.周期为400uS,20uS内100W被消耗,占空比为0.05.峰值结温为:

11. Single Shot Rectangular Pulse 图13所示为单个短形脉冲.单个脉冲和周期性脉冲在热计算上有很大区别.对单个脉冲来说,脉冲之间的时间周期是无穷大,也就是D=0.在这个例子中,100W 被消耗,时间持续为20uS.下面计算峰值结温: Zth j_mb值取自于图12,当D=0时.以上计算显示峰值结温比基板温度高4度.对单个脉冲来说,平均功耗和平均结温没有关系.

12. Composite Rectangular Pulse 在式15中,P1,P2,P3的值已知:P1=40W,P2=20W,P3=100W,Zth值可以从图9得到.对等式中的每一项,等价占空比必须算出来.例如图14中第一个重叠脉冲,持续时间t1=180uS,代表占空比180/400=0.45=D.这些值用于图9来得到Zth值,在这个例子中是0.9K/W.表1(a)给出这个例子计算出的值.把这些值代入式15,则Tj-mb@x为:Repetitive: △Tj-mb@x =40*0.9+20*0.85+100*0.13-40*0.85-20*0.13=29.4°CTj=Tmb+ △Tj-mb=75+29.4=104.4°CSingle Shot: △Tj-mb@x =40*0.13+20*0.125+100*0.04-40*0.125-20*0.04=5.9°CTj=Tmb+ △Tj-mb=75+5.9=80.9°C因此,Tj的峰值是104度对重复脉冲情况下,80.9度对单个冲击. 实际应用中,功率器件会经常面临着复合的波形,而不是简单的矩形波.这种形式的信号可以通过一些具有共同周期的矩形波叠加进行仿真,这些矩形波具有正的或负的幅值,适当的占空比δ和持续时间tp.如图14所示复合的波形.周期性的矩形波被延伸来覆盖复合波形,用以上方法.周期为 400uS,波形由3个矩形脉冲组成,分别为40W,10uS; 20W,150uS; 100W,20uS.循环内any point的峰值结温均可计算.为了能够不同脉冲的影响at this time,所有的脉冲,正的及负的,必须第一次计算时在Tx结束,第二次计算时在Ty结束.正的脉冲使结温增加,负的使结温降低.Calculation for time tx: 式15

13. Composite Rectangular Pulse

14. Composite Rectangular Pulse 把这些值代入式16,则Tj-mb@y为:Repetitive: △Tj-mb@y =20*1.95+100*1.3+40*0.08-20*1.3-100*1.25=21.2°CTj=Tmb+ △Tj-mb=75+21.2=96.2°CSingle Shot: △Tj-mb@y =20*0.2+100*0.16+40*0.03-20*0.16-100*0.15=3°CTj=Tmb+ △Tj-mb=75+3=78°C因此,Tj的峰值是96.2度对重复脉冲情况下,78度对单个冲击.平均功率损耗和平均结温计算如下:Pav=(25*10+5*130+20*100)/400=7.25W Calculation for time Ty: 式16 很清楚,在时间Tx的结温应该比Ty时间的更高,这也被上面的计算验证.

15. Burst Pulse 功率器件经常会遇到burst pulse(短脉冲).这种信号可以当成一个合成波形,象以前例子样通过加一些具有共同时间矩形脉冲来进行模仿,具有正的和负的幅值,除了适当的值tp和D以外.考虑图15波形.周期是240uS,BURST由三个100W,20uS的矩形脉冲组成,间隔30uS. 峰值结温将出现在每一个burst的结束时,在时间t=tx=140uS.为了能够在这个时间加入脉冲不同的影响,所有的脉冲,无论正与负,必须在时间tx结束.正脉冲会增加结温,负脉冲降低结温.式17: 此处Zthj-mb(t)是对于脉冲时间t的热阻. Zth值可以从图9得到.对等式中的每一项,等价占空比必须算出来.这些值用于图9来得到Zth值,表2给出这个例子计算出的值.把这些值代入式17,接下页:

16. Burst Pulse

17. Non-rectangular pulses 到目前为止,举例皆为矩形脉冲.但是,三角波,梯形波,正弦波也非常常见.为了应用以上的热计算于非矩形波,波形通过一系列的矩形波来近似.每个矩形波代表波形的一部分.等效的矩形波必须对于其代表的部分波形面积相等(能量),也是同样的峰值功率.参考图16,一个三角波被近似成一个矩形波.两个矩形波在第二个波形.显示,增加波形被分解部分的数量能够提高热计算的准确性.在第一个例子中,仅有一个矩形波,50uS,50W,再利用式14和重新整理后的式7:

18. Non-rectangular pulses

19. Conclusion 以上介绍了一些方法来介绍在不同形式的脉冲波形下junction的峰值温度和平均温度.一些工作例子被举.对非矩形波脉冲的方法可以应用于一些波形,允许计算象指数型,正弦波形的脉冲.在这些脉冲计算中,必须认真考虑给出一个峰值结温,因为峰值温度在脉冲结束时也许不会出现.在这种情况下,必须计算不同的终点时刻来发现最大的结温.