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。
驅動IC的電流越來越大，例如採用DSO-8 300mil寬體封裝的EiceDRIVER™ 1ED3241MC12H和1ED3251MC12H 2L-SRC緊湊型單通道隔離式柵極驅動器，其驅動電流高達+/-18A，並具備兩級電壓變化率控制和主動米勒箝位功能，通過了UL 1577和VDE 0884-11認證。而1ED3125MU12F則採用DSO-8 150mil窄體封裝，驅動電流同樣高達+/-10A，這對於元件的散熱是一項挑戰。
更多大電流驅動器產品請參考文末圖表。
面對驅動電路散熱設計的挑戰，關鍵的一步是精確的熱設計，確保工作結溫不超過元件允許的最高工作結溫。這就需要一種簡單的結溫估算方法，透過測量元件表面溫度來推算結溫，這是工程師的夢想。為此，英飛凌在資料手冊上提供了熱係數Ψ。th（j-top）透過測溫和計算獲取結溫資訊。
EiceDRIVER™ IC散熱基礎知識
計算電子元件的結溫TJ通常以物理測量值為基礎，需要知道環境溫度TA或其他需要且可以測量的元件散熱通路上的溫度和熱阻，此外，還必須知道元件的功耗。
有了這三類數據，我們就能使用眾所皆知的公式計算結溫：
其中，Rth(j-a),tot是從節點到環境的總熱阻，Pd是 EiceDRIVER™ IC 的功耗，TA的是環境溫度。總熱阻Rth(j-a),tot只能透過測量方式獲得，因為系統的佈局、PCB在系統中的安裝方式以及系統內部的氣流對該值的影響非常大。
根據圖1a驅動IC的橫截面圖，可以知道有兩個主要的熱流路徑。主要路徑通常在引線框架和管腳上。晶片上的焊盤通常會連接到一個甚至多個管腳，這些管腳幫助熱量傳導到PCB，進而也改善了結點到環境的散熱。其次，還有少量的熱流會通過IC表面（例如上表面）直接傳到環境大氣中，此路徑的散熱效率主要取決於晶片表面的對流條件，但它也會影響到結點到環境的總熱阻。熱流的第三個路徑是熱輻射，但這一路徑的影響很小，可以忽略不計。
圖1a. 驅動IC的橫截面
相關的熱等效電路通常是根據這種散熱模型推導出來的，如圖1b所示。請注意，我們可以透過在積體電路表面安裝散熱器來改變結至環境的總熱阻R。th(j-a),tot，並迫使主要熱量流經此路徑。然而，這一方案與大多數設計無緣，主要受限於爬電距離，而且PCB組裝工藝也會變得更加複雜，增加成本。
圖1b. 熱等效電路
圖中PD1部分遠小於PD2因為從結到IC表面的熱阻以及從IC表面到環境的熱阻遠遠大於從結到引線框架（也就是“管殼”），再到PCB環境的熱阻。這完全合情合理，因為塑封材料的導熱能力很差，而引線框架通常是由銅製成，其熱導率遠遠高於前者。
簡化的熱模型
將EiceDRIVER™ IC或功率晶體管的表面溫度作為結溫參考，這是一種理想的方法。根據圖2不難發現，晶片表面到封裝表面的距離d會對熱流產生影響。該距離越大，必然導致晶片表面溫度與元件表面的溫差越大。在設計時也必須考慮到，即使兩個不同功率的集成電路具有相同的表面溫度，其功率耗散也可能完全不同。因此，在比較兩個功率集成電路時，如果不知道功率耗散和集成電路的封裝參數，表面溫度本身就沒有意義了。
圖2a. 簡化熱流路徑後的IC與封裝橫截面
現在，對前面的熱模型進行了修改，以滿足工程方法的要求。我們現在可以合理地假設，PD1部分接近於零，並假設所有熱量都經由管腳流動。於是等效電路可以簡化為圖2b所示的電路。這樣就能直接在IC表面測量結溫。然而，通過上述完整的熱路我們可以得知，由於對流的存在，該表面溫度將會略低於實際的結溫。
圖2b. 簡化後的熱等效電路
圖2b中有一個用虛線表示的元件，它代表節點到上表面的熱系數psi(Ψ-)，節點到元件表面Ψ。th（j-top）的熱係數並非物理意義上的熱阻，因為根據圖2b中的熱等效電路，理論上我們已經假設此方向沒有熱流。此路徑的末端為開路的熱絕緣狀態。但即便如此，封裝上表面特定點的溫度與結點溫度之間仍存在某種關係。這種關係類似於熱阻：
現在，在計算出功耗後，只需透過測量IC表面的溫度，就能確定EiceDRIVER™柵極驅動IC的平均結溫。
熱係數Ψth（j-top）包含在 EiceDRIVER™ 資料表中，並且已考慮空氣引起的自然對流。這是通過模擬方法獲取的，尚未經過測量驗證。我們可以通過優化系統中 PCB 的位置，使用機櫃內的自然氣流或強制冷卻的方法來改善 EiceDRIVER™ IC 的散熱。
簡化模型的侷限性
該簡化模型當然存在一些局限性，其中最重要的局限性包括以下幾點：
1. 通通過管腳到PCB的熱傳導與器件表面自然對流所占的熱流比例，或者說與應用安裝條件的相關性：
使用者可以透過在IC表面貼上或固定小型散熱器來改善IC表面的散熱，這肯定會對Ψ值的結果產生影響，導致該值變得更大。
2. 當紅外測溫儀無法測量到晶片表面時，就需要在測量點安裝溫度感測器：
溫度感測器必須與IC表面進行充分的熱接觸。通常會考慮使用導熱膠，但IC表面與感測器之間的任何膠層都可能對結果產生影響。如果溫度感測器較大，其熱容也較大，就會起到散熱器的效果。
3. PCB設計對模擬結果的影響：
PCB走線設計，特別是直接連接層的銅層厚度，對整體散熱效果有很大的影響。在引腳處較大的銅面積或較厚的銅層可以改善EiceDRIVER™ IC的散熱。在包含Ψ值的數據手冊中，可以找到用於模擬Ψ值的PCB設計作為條件。
摘自EiceDRIVER™ 1ED32xxMC12H數據手冊
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