關于芯片或者功率模塊熱相關計算

1.熱阻的概念
2.電子元件熱阻的計算公式（大功率和小功率補充說明）
3.芯片熱計算舉例
4.功率模塊熱計算舉例

1.熱阻的概念
熱阻指的是當有熱量在物體上傳輸時，在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值。單位為開爾文每瓦特（K/W）或攝氏度每瓦特（℃/W）。
當熱量流過兩個相接觸的固體的交界面時，界面本身對熱流呈現出明顯的熱阻，稱為接觸熱阻。

上式中，為物體一端的溫度、為物體另一端的溫度以及為發熱源的功率。

熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質或介質間的傳熱能力的大小，表明了 1W熱量所引起的溫升大小。用熱功耗乘以熱阻，即可獲得該傳熱路徑上的溫升。可以用一個簡單的類比來解釋熱阻的意義，換熱量相當于電流，溫差相當于電壓，則熱阻相當于電阻。

熱路的計算的基本原則：從芯片內部開始算起，任何兩點間的溫差，都等于器件的功率乘以這兩點之間的熱阻。這有點像歐姆定律。任何兩點之間的壓降，都等于電流，乘以這兩點間的電阻。

Tcmax：功率為P時允許的最大溫升

TA：Temperature Ambient 芯片周圍的環境溫度
TC：Temperature Case芯片的外殼溫度
TJ：Temperature Junction芯片內的結點溫度

熱阻RJA：芯片的熱源結(Junction)到周圍冷卻空氣(Ambient)的總熱阻，乘以其發熱量即獲得器件溫升。
熱阻RJC：芯片的熱源結到封裝外殼間的熱阻，乘以發熱量即獲得結與殼的溫差。
熱阻RJB：芯片的結與PCB板間的熱阻，乘以通過單板導熱的散熱量即獲得結與單板間的溫差。

2.電子元件熱阻的計算公式（大功率和小功率補充說明）

通用公式：Tcmax=TJ-P*(Rjc+Rcs+Rsa)
條件1：當功率晶體管的散熱片heat sink足夠大而且接觸足夠良好時，殼溫TC=TA，晶體管外殼與環境間的熱阻 Rca=Rcs+Rsa=0。
熱阻公式：Tcmax=TJ-P*Rjc

條件2：散熱片heat sink不大或者接觸足夠一般/較差的情況下：
熱阻公式：Tcmax=TJ-P*（Rjc+Rcs+Rsa）
——其中，Rjc表示芯片內部至外殼的熱阻；Rcs表示外殼至散熱片的熱阻；Rsa表示散熱片到環境的熱阻。

條件3：沒有散熱片情況下：
大功率半導體器件，熱阻公式Tcmax=TJ-P*(Rjc+Rca)，其中Rca表示外殼至空氣的熱阻。
小功率半導體器件，熱阻公式：Tcmax=TJ-P*Rja，其中Rja表示結到環境之間的熱阻。

（1）、大功率器件的額定功率一般是指帶散熱器時的功率，散熱器足夠大時且散熱良好時，可以認為其表面到環境之間的熱阻為0，所以理想狀態時殼溫即等于環境溫度。功率器件由于采用了特殊的工藝，所以其最高允許結溫有的可以達到175度。但是為了保險起見，一律可以按150度來計算。

適用公式：Tc =Tj - P*Rjc。

設計時，Tj最大值為150,Rjc已知，假設環境溫度也確定，根據殼溫即等于環境溫度，那么此時允許的P也就隨之確定。

（2）、小功率半導體器件，比如小晶體管，IC，一般使用時是不帶散熱器的。所以這時就要考慮器件殼體到空氣之間的熱阻了。一般廠家規格書中會給出Rja，即結到環境之間的熱阻.(Rja=Rjc+Rca)。

以三級管2N5551為例，其最大使用功率1.5W是在其殼溫25度時取得的。
假設此時環境溫度恰好是25度，又要消耗1.5W的功率，還要保證殼溫也是25度，唯一的可能就是它得到足夠良好的散熱！
但是一般像2N5551這樣TO-92封裝的三極管，是不可能帶散熱器使用的。所以此時，小功率半導體器件要用到的公式是：

Tc =Tj - P*Rja。 Rja：結到環境之間的熱阻。

一般小功率半導體器件的廠家會在規格書中給出這個參數。2N5551的Rja廠家給的值是200度/W。已知其最高結溫是150度，那么其殼溫為25度時，允許的功耗可以把上述數據代入Tc =Tj - PRja 得到 25=150-P200，得到P=0.625W。事實上，規格書中就是0.625W.因為2N5551不會加散熱器使用，所以我們平常說的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W！
還有要注意，SOT-23封裝的晶體管其額定功率和Rja數據是在焊接到規定的焊盤（有一定的散熱功能）上時測得的。

（3）、另外告訴大家一個竅門，其實一般規格書中的最大允許儲存溫度其實也是最大允許結溫。最大允許操作溫度其實也就是最大允許殼溫.最大允許儲存溫度時，功率P當然為0，所以公式變為Tcmax =Tjmax - 0*Rjc，即Tcmax =Tjmax。是不是很神奇！

最大允許操作溫度，一般民用級（商業級）為70度，工業級的為80度.普通產品用的都是民用級的器件，工業級的一般貴很多。

熱路的計算，只要抓住這個原則就可以了：從芯片內部開始算起，任何兩點間的溫差，都等于器件的功率乘以這兩點之間的熱阻.這有點像歐姆定律。任何兩點之間的壓降，都等于電流乘以這兩點間的電阻。

不過要注意，熱量在傳導過程中，任何介質，以及任何介質之間，都有熱阻的存在，當然熱阻小時可以忽略，比如散熱器面積足夠大時，其與環境溫度接近，這時就可以認為熱阻為0.
如果器件本身的熱量就造成了周圍環境溫度上升，說明其散熱片（有散熱片的話）或外殼與環境之間的熱阻比較大！這時，最簡單的方法就是直接用Tc =Tj - P*Rjc來計算。

其中Tc為殼溫，Rjc為結殼之間的熱阻.如果你Tc換成散熱片（有散熱片的話）表面溫度，那么公式中的熱阻還必須是結殼之間的加上殼與散熱器之間的在加散熱器本身的熱阻！

另外，如果你的溫度點是以環境來取點，那么，想想這中間包含了還有哪些熱路吧。比如，散熱片與測試腔體內空氣之間的熱阻，腔體內空氣與腔體外空氣間的熱阻。這樣就比較難算了。《百度百科》

3.芯片熱計算舉例

三級管2N5551 規格書中給出25度（Tc）時的功率是1.5W§，Rjc是83.3℃/W。
此代入公式有：25=Tj-1.5*83.3，可以從中推出Tj為150度。

芯片最高溫度一般是不變的。所以有Tc=150-Ptc*83.3，其中Ptc表示溫度為Tc時的功耗。

假設管子的功耗為1W，那么，Tc=150-183.3=66.7度。注意，此管子25度（Tc）時的功率是1.5W，如果殼溫高于25度，功率就要降額使用.規格書中給出的降額為12mW/度（0.012W/度）。我們可以用公式來驗證這個結論.假設溫度為Tc，那么，功率降額為0.012(Tc-25）。則此時最大總功耗為1.5-0.012*(Tc-25）。把此時的條件代入公式得出： Tc=150-（1.5-0.012*(Tc-25））×83.3，公式成立.。

一般情況下沒辦法測Tj，可以經過測Tc的方法來估算Ttj，公式變為： Tj=Tc+PRjc。
同樣以2N5551為例.假設實際使用功率為1.2W，測得殼溫為60度，那么： Tj=60+1.283.3=159.96此時已經超出了管子的最高結溫150度了！
按照降額0.012W/度的原則，60度時的降額為（60-25）×0.012=0.42W,1.5-0.42=1.08W。
也就是說，殼溫60度時功率必須小于1.08W，否則超出最高結溫.假設規格書沒有給出Rjc的值，可以如此計算： Rjc=(Tj-Tc)/P，如果也沒有給出Tj數據，那么一般硅管的Tj最大為150至175度.同樣以2N5551為例。

知道25度時的功率為1.5W，假設Tj為150，那么代入上面的公式： Rjc=（150-25）/1.5=83.3 如果Tj取175度則 Rjc=（175-25）/1.5=96.6 所以這個器件的Rjc在83.3至96.6之間.如果廠家沒有給出25度時的功率.那么可以自己加一定的功率加到使其殼溫達到允許的最大殼溫時，再把數據代入：
Rjc=(Tjmax-Tcmax)/P
有給Tj最好，沒有時，一般硅管的Tj取150度。

4.功率模塊熱計算舉例
以功率模塊IGBT模塊為例：

（1）IGBT穩態熱方程式：
IGBT模塊的熱傳導可以代入電氣電路進行計算。此處僅考慮將IGBT模塊安裝至散熱器時的情況。此時，熱特性可代入圖所示的等效電路。
　根據圖所示的等效電路，可通過以下熱方程式計算結溫(Tj)。

但是，此處所說的冷卻液入口溫度Twin為圖所示位置的溫度。圖所示以外的點的實際測量溫度較低，并且受水套的散熱性能影響，因此設計時需注意。

（2）IGBT瞬態熱方程式
一般情況下，如上所述，根據平均電力損耗考慮穩態時的Tj即可，但實際上每次反復開關時產生的損耗和熱呈脈沖狀，因此，將產生溫度脈動，如圖3-7所示。此時，如果將產生的損耗作為固定周期且固定峰值的連續矩形波脈沖，則可以使用規格書中記載的所圖所示的瞬態熱阻曲線，近似計算溫度波動的峰值(Tjp)。

溫度波動：

瞬態熱阻曲線：

結溫計算：

在模塊內部IGBT芯片的最大可允許結溫是150℃(或175℃)，這一額定值在任何情況下都是不允許超過的，最好是在最惡劣的條件下的最高結溫限定在125℃或更低。半導體器件在額定結溫以下工作，可靠性就可以提高。由上面計算出IGBT的總平均功耗和散熱器的最高允許溫度，芯片的結溫就可以通過熱阻的概念推算出來，檢驗所設計的散熱器是否合理，可通過散熱器的熱阻，IGBT模塊的熱阻等核算最高熱阻等核算最高結溫來驗證：

TC:IGBT模塊的基版溫度，通過IGBT模塊的接觸熱阻Rth(c-k)，可從散熱器的設計溫度或測量溫度計算得到。這樣就可以核算出設計的散熱器是否合理，若Ti≤125℃，即為你的熱設計合理。通常情況下，散熱器的最高溫度TK≤80℃時，結溫Tj≤125℃就可以滿足。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的关于芯片或者功率模块热相关计算的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。