前言
功率半導體的熱設計是實現IGBT、碳化矽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，才能完成精確的熱設計，提高功率元件的利用率，降低系統成本，並確保系統的可靠性。
功率元件熱設計基礎系列文章將會較為系統地講解熱設計的基礎知識、相關標準以及工程測量方法。
功率元件的輸出電流能力
器件的輸出電流能力首先是由晶片決定的，但是IGBT晶片的關斷電流能力很強，在單管中是標稱電流的3倍或4倍。模組由於考慮多晶片並聯等因素，關斷電流能力定義為標稱電流的2倍。
在實際系統設計中，元件的輸出電流能力往往受到晶片散熱的限制，而在元件設計中也可能受到端子的限制。這可以從封裝中的大電流規格元件中看出，其電流受到接合線（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Tc在25℃時和Tc等於100℃一致，都是160A，限制在引線上。
摘自IKQ150N65EH7數據手冊
再看一個900A 1200V的EconoDUAL™3模組，其關斷電流能力可以達到1800A。這樣如果晶片溫度不超過Tvjmax輸出的有效值電流是1289A，但受功率端子限制，ITRMS=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於元件引腳的損耗，現代逆變器設計必須考慮到IGBT模組引腳中的功率損耗。這是由於半導體晶片技術的進步，總損耗隨著電流密度的增加而不斷降低，相同封裝可以容納電流規格更大的晶片，因此端子的損耗必須被納入考量。
模組引線電阻，即端子到晶片的電阻值RCC’+EE’，會造成的損耗，其在資料手冊中標出，對於中大功率模組來說是一個不小的數值。
EconoDUAL™3 FF900R12ME7模組的引線電阻，從端子到晶片的電阻值為0.8mΩ，在900A時壓降為0.72V，於900A時功耗高達648W，這是無法接受的，因此在資料手冊中規定了端子的輸出電流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，其最大規格達到了2400A半橋，這樣的模組引線電阻小很多，原因是端子採用了銅排結構。FF900R12IE4，900A 1200V模組端子到晶片的電阻值為0.3mΩ，900A時壓降為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最大系統的熱點主要有兩條散熱路徑，一是通過功率端子到母排向空間散熱，這條路徑上的熱阻為 R。thTB功率端子到母排的熱阻，RthBA母排到環境的熱阻。第二是通過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、連接技術以及與DCB絕緣陶瓷基板的關係決定。thCH管殼到散熱器的熱阻，由導熱膏和金屬基板的熱量擴散所決定。功率端子共享了晶片的散熱路徑，為並聯關係，請參閱。《功率元件的熱設計基礎（二）---熱阻的串聯與並聯》。
圖1.功率端子的熱流
案例分析
模組的功率端子：
對於大電流的模組，降低功率端子的損耗也是設計中的一個重要目標，而且相較於降低晶片損耗來說要相對容易。以英飛凌最大電流規格的模組為例，它們是3600A 1700V，IHM A封裝（圖2左）和IHM B（圖2右）的IGBT模組。
圖2. 兩種不同的功率端子
它們在功率端子設計上的差異在於，IHM A 的端子通過焊點與 DCB 連接，並在主平面上設有一個用於機械解耦外力的緩衝結構。而改進後的 IHM B 中取消了蜿蜒曲折的緩衝結構設計，改為引入用於機械解耦的彎曲設計。這將降低端子的電阻，從而減小溫度梯度。此外，通過增加端子與 DCB 之間的接觸面來降低 R。thSC。
另一個不同之處是安裝孔，IHM A 的安裝孔是腰圓孔，而 IHM B 由於端子精度高，可以直接使用圓孔，為母線提供了更大的接觸面。功率端子的電阻從 0.22mΩ 降低到 0.11mΩ，損耗占比從 5.8% 降到了 2.9%。熱阻 RthSC從0.35K/W降低到了0.07K/W，T最大從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PT在模組電源端子中產生的損耗熱量PB在母排中產生。熱流如圖1所示。功率端子的損耗熱流PTH通過RthSC和RthCH從溫度為TS的端子流向溫度為TH的散熱器。母排的損耗熱量PBA從溫度為TB的母線流向溫度為TA的環境空氣，熱阻為RthBA。
關鍵在於，總損耗熱量PTB也會通過熱阻RthTB在端子和母線之間進行交換，這取決於母線連接的品質。
下圖是HE3模組端子在特定母排下測得的熱阻進行的分析。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TA變化。
不出所料，系統中最熱的點是功率端子。A當溫度升至70°C時，溫度達到TT=132°C。母排達到TB=102°C。（案例省略了實驗的配置，數值僅供定性參考）
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，母排就不再具有散熱作用了。
本文利用數據手冊上的值分析功率端子和引線的損耗，無論是單管還是模組，在大電流下的損耗和發熱都不容小覷。
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，只能作為定性參考。
參考資料
1. PCIM-2005 電源端子的熱性能
2. 《IGBT模組：技術、驅動和應用》機械工業出版社
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