对于电力半导体器件，其电学性能和热学性能是密切相关的，所以器件的电热耦合特性成为五个重要特性之一。由器件本身消耗功率产生的自加热，往往使器件的电学性能退化。这可能会构成温度与电流之间的正反馈，导致芯片内温度场与功率分布的不均匀，发生一系列的高电流密度效应，以致出现稳定热斑，引起参数缓慢退化，器件退化。甚至可能出现热不稳定，产生热奔，诱发二次击穿，以致器件瞬时烧毁等。除此之外，许多半导体器件参数及其与温度的关系也十分密切，比如：禁带宽度的大小决定了半导体材料的本征载流子浓度大小，跟器件的极限工作温度密切相关。可见，热特性对器件的性能及可靠性都有很大的影响。为了保护器件性能，扩大安全工作区，电性能与热性能之间关系的研究是必不可少的。

在实际应用中，电力半导体热特性的研究中最应当关注的是功率损耗（包括稳态损耗和开关损耗）和极限工作温度。这对变换器的寿命预测和结构设计至关重要。为了选择合适的功率模块，设计合理的散热装置等，在设计阶段应当对其功率损耗进行分析计算。对于全控器件来说必须充分重视其开关损耗。在硬开关模式下工作时，在开通及关断瞬时有较大的开关损耗，当工作频率较高时，开关损耗将大大超过器件的稳态损耗，造成内部结温增高，并对器件的安全工作形成威胁，以至造成永久性损坏。

在前面的分析中，会经常提到器件的一个关键参数，即结温。一般将功率器件有源区称为结，器件的有源区温度称为结温。这些器件的有源区可以是结型器件（如晶体管）的pn结区或场效应器件的沟道区等。当结温T_j高于周围环境温度T_a时，热量通过温差形成扩散热流，由芯片通过管壳向外散发，散发出的热量随着温差T_j-T_a的增大而增大。为了保证器件能够长期正常工作，必须规定一个最高允许结温T_jmax。T_jmax的大小是根据器件的芯片材料、封装材料和可靠性要求确定的。

功率器件的散热能力通常用热阻表征，记为R_th。热阻反映了器件散热性能的好坏，热阻比较大表示器件的散热能力比较差，这样的器件不适合在大功率环境下工作，否则器件就有烧毁的可能。热阻又分为内热阻和外热阻，内热阻是器件自身固有的热阻，与管芯、外壳材料的导热率、厚度和截面积以及加工工艺等有关；外热阻则与管壳封装的形式以及散热器的结构、材料有关。一般来说，管壳面积越大，则外热阻越小，金属管壳的外热阻就明显低于塑封管壳的外热阻。

一般地，变换器散热系统的设计包括两方面。首先根据负载情况求取功率器件的损耗，并求取散热器热阻，然后通过热阻等效电路求解散热器与功率器件各点的温度。将散热系统的损耗功率等效为电流源，热阻产生的温差等效为电压，热阻等效为电阻。结温、热阻与损耗三者的关系为

T_j=∑R_thP_loss+T_a （8-26）

式中 T_j——器件结温；

T_a——环境温度。

最后根据各点的温升，以及实际环境条件，确定最终的散热方案。散热器选配：首先要知道所用器件的参数变化情况以及工作环境等条件，然后确定器件的耗散功率，由器件的耗散功率和额定结温确定必要的散热器热阻或热阻抗，最终确定散热器的型号。还有一种应用就是通过测量器件的温升和散热来计算损耗。知道了环境温度，及器件允许的最大结温，就可以求出器件的最大允许功耗了。

器件的热特性分析包括两大部分，稳态和暂态。稳态分析是指求解系统稳定工作时的平均损耗P_AV和平均结温T_jAV，其意义在于可以由平均结温和平均损耗得到系统工作的大致状况，并对它的工作效率进行判断，同时也是暂态分析的基础。暂态分析是指求解暂态情况下损耗、热阻随时间的变化规律，并按照一定的关系求得结温的变化规律。因为它们都分别是时间的函数，所以分析的方法比较多也相对复杂。通过暂态分析可以得到最高结温T_jmax和变化量ΔT_j。一般地，对于基于硅材料的电力半导体器件最高结温要控制在不超过150°C，结温变化量代表功率循环造成的疲劳积累，也会导致器件失效，结温的暂态特性会影响器件寿命以及系统的可靠性。

稳态情况下，热阻被当作了常数，而暂态情况下问题要复杂一些，结温对损耗的关系并不是简单地变为上面公式所表达的关系，而是结温对损耗的实时变化有一定的响应时间。分析暂态热阻网络有两种方法，一种是把整个系统做有限元分析（FEM），另一种是直接提取参数，构成RC热阻抗网络。其中第一种比第二种计算时间长得多，且依赖于网格划分的细致、准确程度。所以在实际应用中多采用简便的热阻抗网络方法进行分析。

暂态分析中，热阻不单单是几个R相加的常量，而是变成了热阻抗Z。即在暂态情况下由于损耗源不断变化，热阻不停地吸热散热，要考虑新的物理量，热容C。由于热容的存在，导致结温不能瞬间变化，结温响应对损耗的响应产生了延迟，时间常数就是RC。器件的每一层材料都有不同的热阻抗参数，将它们串联起来就构成了暂态情况下的热阻抗模型。示意图如图8-27所示。

图8-27 用于暂态分析的RC热阻网络

一般在器件的数据手册中可以找到器件内部热阻抗随时间变化的关系，为

当仅考虑器件的长时间的平均温度时，它可以转化成为稳态分析。受篇幅限制，器件的暂态热特性分析在此不展开。(www.daowen.com)

从上面的分析可以看出器件的损耗模型在热分析中占有重要地位。求解电力半导体器件的损耗方法主要分为两大类：基于物理结构的损耗模型和基于数学方法的损耗模型。其中第一种主要依赖于电路仿真，第二种主要依赖于实测数据或数据手册给出的数据。

1.物理模型

以IGBT热损耗分析为例。

通过分析IGBT的物理结构和内部载流子的工作情况，采用电容、电阻、电感、电流源、电压源等一些相对简单的元件模拟出IGBT的特性，利用仿真软件仿真IGBT在各种工作情况下电压、电流波形，从而计算得到IGBT的损耗。这种损耗模型的准确程度取决于器件物理模型的准确程度，只有物理模型越接近实际工作情况的器件，才能保证仿真得到的损耗近似于实际的损耗，它要求用户要很清楚地知道IGBT的内部结构和每个阶段的工作过程。尤其是模型参数值的确定是较复杂的过程。有三个比较经典的模型：Hefner模型、Kraus模型、Sheng模型。其中Hefner模型是典范。Allen R Hefner有很多篇关于IGBT建模的文章，引用率很高，几乎都是20世纪90年代的，其中对于IGBT热特性分析也有很多研究。其使用Saber仿真平台搭建模型，电模型连接热模型，接口是结温。分析方法是有限差分，离散化热传导方程。该模型属于物理模型，参数众多，而且很多参数都涉及半导体物理学的知识，理解其含义很是困难。有对应单个器件模块的，也有对应PWM全桥电压源逆变器的。

模型中电热耦合是关键，图8-28中给出相应的具体流程图。由IGBT物理模型计算出瞬时耗散功率传给热阻网络并计算出瞬时结温，瞬时电参数传给电模型并计算出瞬时端电压，根据瞬时结温决定温度敏感参数，根据瞬时端电压调和温度敏感参数整物理模型，反馈循环。

图8-28 电热耦合模型流程图

2.数学模型

基于数学方法的损耗模型是以实验为基础的。这类方法与器件的具体类型无关，它是基于大量数据的测量，试图寻找出功耗与各个影响因素的数量关系。它的一个最大的优点是计算速度快。但是由于它的工作是基于测量的，所以在准确性和所需数值的测试次数上需要折中。根据实验结果，采用某种算法求出功率损耗与电流、电压、温度等参数的函数关系，再依此关系通过多次重复求出其他任意工作点的功耗值。这种模型通用性方面比较好，同时准确性上有一定局限。

有如下几种具体的数学方法计算损耗：

（1）指数方法：将损耗表示成负载电流指数幂的形式，它对导通损耗和开关损耗采用不同的表达式，同时也考虑了温度、母线电压对模型的影响。

（2）线性化方法：需要测量的仅仅是特定条件下一些电压、电流和结温值时的损耗值。由此通过插值的方法得到任意电压、电流和结温时的损耗值。

（3）多项式方法：导通压降为电流和温度的多项式函数。

（4）利用数据手册估算损耗。

在所需数据测量不方便时，通常根据器件手册中提供的损耗特性曲线，推导损耗参数进行计算。由于使用的是通过器件的特性曲线图，因此器件厂商所提供的特性曲线的精度将在较大程度上影响损耗计算的最终误差。而对于一些大的器件生产商，会提供一些相应的分析软件，来帮助计算器件损耗、器件结温随着不同设计和运行工况的变化曲线，为用户提供参考。