下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
功率半导体开关工作时的功耗使器件发热，热阻用可来评价器件的热量从晶元散发到周围环境过程中的能力。具有很高热导率的物体是很好的导热体，比如铜或铝，热导率高，热阻低。具有低热导率的物体是很差的导热体，比如塑料或石英的热阻就很高。功率半导体系统的总热阻决定一个功率半导体器件从导通开始消耗功率时结温的上升程度。
热阻常用 R th 表示，就像电工电子领域的电阻。高热阻表示物体导热不好，低热阻表示物体导热好。物体的热阻与厚度成正比，如果一个物体的厚度增加，则在同样的温差作用下，流过物体的功率将下降。同样，如果一个物体的厚度减小，则在同样的温差作用下，流过物体的功率将上升。
式中， d 为物体的厚度（m）； A 为物体的面积（m 2 ）； λ th 为物体的热导[W/（m·K）]。
一个物体两端的温度差为Δ T ，就像电势差（电压）。热从温度高的地方向温度低的地方流动，也就是功率从高温物体流向低温物体，用于热计算的功率流就像电流。这样，类似于电路中的欧姆定律，热路中也有一个温差计算公式，即
Δ T = P D R th
式中， R th 为热阻（℃/W）； P D 为功率（W）；Δ T 为温差（K）。
功率半导体器件由半导体晶元、铅壳、塑料封装和散热器组成，如图2.48所示。首先用一个黏结材料与铅壳黏结在一起。晶元黏结材料和铅壳两者都是用很低的热阻材料制造，具有良好的导热性。这样，铅壳不仅可以吸收并传递晶元热，而且可以将热散发到周围空气中，增大了晶元的散热面积，降低了从晶元到周围环境的热阻。塑料封装将晶元包裹起来，对晶元提供物理保护，它也为晶元热散发到周围环境提供了一个散热通道。散热器是一个与铅壳黏结的金属体（比如铜），增大散热面积，能用来减小从壳到周围环境的热阻。一般而言，散热面积越大，散热器的热阻越小。
图2.48 功率半导体器件的封装组成（包含热阻表达）
假设一个功率半导体开关（比如功率MOSFET）最大的操作温度 T jmax 为150℃，内阻 R on 为20mΩ，耐压 U DS 为40V，连续的工作电流 I D 为10A，晶元到外壳（包括散热器）的热阻 R thJA 为50K/W。如果环境温度是25℃，那么晶元的工作温度将达到125℃，计算过程如下：
功率半导体开关的功耗为
P D = I D 2 R on =10 2 ×0.02W=2W
晶元的温升为
Δ T = P D R thJA =2×50℃=100℃
功率半导体开关的结温为
T j = T A +Δ T =25℃+100℃=125℃
此时，功率半导体开关在10A的工作电流下，其结温达到125℃，在允许的器件操作温度 T jmax 之下，因此器件能够安全工作。