原標(biāo)題：大功率二極管晶閘管知識連載——熱特性

大功率二極管和晶閘管作為高功率半導(dǎo)體器件，在電力電子領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。它們的熱特性是設(shè)計(jì)和使用過程中需要重點(diǎn)考慮的因素之一。以下是大功率二極管和晶閘管熱特性的詳細(xì)解析：

一、熱等效電路與溫度參數(shù)

• 熱等效電路：為了描述大功率二極管和晶閘管的熱行為，通常會采用熱等效電路來模擬。這個(gè)電路包括結(jié)-殼穩(wěn)態(tài)熱阻（Rth JC）、殼-散熱器穩(wěn)態(tài)熱阻（Rth CH）和散熱器穩(wěn)態(tài)熱阻（Rth HA）等關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)共同決定了器件在工作時(shí)的熱量傳遞路徑和效率。

• 溫度參數(shù)：

• 結(jié)溫（Tvj）：半導(dǎo)體系統(tǒng)內(nèi)的平均空間溫度，也稱為等效結(jié)溫或虛擬結(jié)溫。最高允許結(jié)溫（Tvj max）對器件的功能和可靠性至關(guān)重要，超過此值可能導(dǎo)致半導(dǎo)體性能發(fā)生不可逆變化甚至損壞。

• 殼溫（Tc）：平板型晶閘管或二極管的殼或PowerBLOCK模塊的基板的接觸區(qū)域的最高溫度。

• 散熱器溫度（TH）：半導(dǎo)體通過散熱器接觸區(qū)域及其周圍的冷卻介質(zhì)與散熱器發(fā)生熱交換而達(dá)到的溫度。

• 冷卻介質(zhì)溫度（Ta）：對于空氣冷卻，在散熱器進(jìn)風(fēng)口側(cè)確定；對于液體冷卻，則在散熱器冷卻液進(jìn)口處確定。

• 殼溫范圍（Tcop）：使功率半導(dǎo)體正常工作的殼溫范圍。

• 儲存溫度范圍（Tstg）：功率半導(dǎo)體在不帶電情況下可以存儲的溫度范圍。根據(jù)DIN IEC 60747-1標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)氧樹脂平板型器件和PowerBLOCK模塊的最高允許儲存溫度為150℃，時(shí)間限制為672小時(shí)。

二、熱阻

• 內(nèi)熱阻（RthJC）：結(jié)溫Tvj和殼溫TC之差與總耗散功率Ptot的比值。該值取決于器件的內(nèi)部設(shè)計(jì)以及通態(tài)電流的波形和頻率。雙面冷卻的熱阻通常比單面冷卻的低。

• 傳熱熱阻（RthCH）：器件和散熱器接觸區(qū)域的溫度差TC-TH與總耗散功率Ptot的比值。規(guī)定值僅在器件正確安裝時(shí)有效。

• 散熱器熱阻（RthCA）：殼溫TC和冷卻介質(zhì)溫度TA之差與總耗散功率Ptot的比值。

• 總熱阻（RthJA）：等效結(jié)溫Tvj和冷卻介質(zhì)溫度TA之差與總耗散功率Ptot的比值。它是衡量器件整體散熱性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

三、冷卻方式

• 自然空氣冷卻：通過空氣自然對流排出功率損耗。功率半導(dǎo)體的載流能力通常是在環(huán)境溫度TA=45°C的條件下確定的。

• 強(qiáng)制空氣冷卻：通過風(fēng)扇使冷空氣強(qiáng)制通過散熱器葉片，提高散熱效率。功率半導(dǎo)體的載流能力通常是在環(huán)境溫度TA=35°C的條件下確定的。

• 水冷：通過水排出功率損耗。功率半導(dǎo)體的載流能力通常是在進(jìn)口水溫TA=25°C的條件下確定的。

• 油冷：通過油排出功率損耗。功率半導(dǎo)體的載流能力通常是在進(jìn)口油溫TA=70°C的條件下確定的。

四、熱特性的重要性

大功率二極管和晶閘管在工作時(shí)會產(chǎn)生大量的熱量，如果不能及時(shí)有效地散出，將導(dǎo)致器件溫度升高，進(jìn)而影響其性能和可靠性。因此，了解和掌握這些器件的熱特性，對于設(shè)計(jì)合理的散熱系統(tǒng)、確保器件在最佳工作狀態(tài)下運(yùn)行具有重要意義。

綜上所述，大功率二極管和晶閘管的熱特性涉及熱等效電路、溫度參數(shù)、熱阻以及冷卻方式等多個(gè)方面。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求和條件來選擇合適的器件和散熱方案，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。