功率器件及散熱系統(tǒng)在igb中的應(yīng)用

1熱-電耦合模型建模由于導(dǎo)通電流大、通壓低等優(yōu)點(diǎn)，igdt廣泛應(yīng)用于高壓富能源電子領(lǐng)域。然而,在高頻大功率工作中,IGBT內(nèi)部產(chǎn)生相當(dāng)大的開關(guān)與導(dǎo)通損耗,導(dǎo)致功率器件內(nèi)部芯片結(jié)溫上升。研究數(shù)據(jù)表明,大約60%的失效是由結(jié)溫過高引起的,結(jié)溫每上升10℃,器件失效率提高一倍［1］。但隨著IGBT功率等級(jí)與密度的提高,更高的電流密度與更小的封裝體積導(dǎo)致芯片熱量集中度進(jìn)一步加劇,極大降低了器件運(yùn)行可靠性。為此,研發(fā)人員一方面在器件選型時(shí)往往降額使用IGBT或者選用體積龐大的散熱系統(tǒng),這種作法不但沒有充分利用資源,而且無法滿足高功率密度的要求［2］;另一方面,芯片結(jié)溫是由器件及其散熱系統(tǒng)的熱阻共同決定,故文獻(xiàn)對(duì)熱阻進(jìn)行了研究。但穩(wěn)態(tài)熱阻,只能用于預(yù)測(cè)平均結(jié)溫,當(dāng)功率器件承受脈沖功率時(shí),其芯片的瞬時(shí)結(jié)溫可能會(huì)遠(yuǎn)高于平均結(jié)溫。若已知IGBT的瞬時(shí)損耗,便可通過由瞬態(tài)熱阻抗組成的熱-電耦合模型計(jì)算出瞬時(shí)結(jié)溫［6］,該方法有助于功率器件的封裝設(shè)計(jì)和選型。本文闡述了用于結(jié)溫預(yù)測(cè)的熱-電耦合模型建模方法,包括有限元法提取瞬態(tài)熱阻抗以及利用熱特性RC等效網(wǎng)絡(luò)建模并計(jì)算結(jié)溫;并以賽米控IG-BT模塊SKM200GB12T4為例,提取其瞬態(tài)熱阻抗,所得結(jié)果與廠商數(shù)據(jù)吻合,并且仿真結(jié)果表明,熱阻抗曲線在不同的溫度、功耗下幾乎保持不變;對(duì)IG-BT模塊、散熱器整體提取瞬態(tài)阻抗后,利用RC等效網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建熱-電耦合模型,得到特定功率下的動(dòng)態(tài)結(jié)溫,為提高高壓大容量電力電子裝置的可靠性提供了技術(shù)參考。2熱電耦合模型2.1結(jié)構(gòu)靜力、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、熱學(xué)、案場(chǎng)、壓電等領(lǐng)域的分析ANSYS是常用的有限元分析軟件,被世界各國工程師廣泛使用,可進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)非線性、動(dòng)力學(xué)、熱學(xué)、電磁場(chǎng)、流體動(dòng)力學(xué)、聲場(chǎng)、壓電等領(lǐng)域的分析［7］。有限元分析的基本過程:建立實(shí)體模型、定義材料熱物理屬性、網(wǎng)格劃分、定義載荷和求解并提取結(jié)果等［3］。2.1.2igbt材料熱物屬性及熱阻實(shí)體模型建立:建立實(shí)體模型需要測(cè)量實(shí)物的三維尺寸以及各部件間的位置關(guān)系。IGBT模塊實(shí)體模型的建立比較復(fù)雜,模塊封裝往往由很多層不同熱物屬性的材料疊加而成,并且不同器件廠商采用的材料與制造工藝也均不相同。通常,IGBT模塊采用如圖1所示的7層結(jié)構(gòu),每一層結(jié)構(gòu)的熱物屬性、尺寸厚度以及各層相互間的位置關(guān)系都會(huì)對(duì)熱阻抗產(chǎn)生影響,因此,在建立實(shí)體模型時(shí)應(yīng)精確測(cè)量每一層尺寸以及各層相互間的位置關(guān)系。此外,器件內(nèi)部的鋁絲鍵合線直徑十分微小并且模塊內(nèi)部灌裝硅膠,芯片產(chǎn)生的熱量幾乎全部由下方的焊料層導(dǎo)出,故鋁絲鍵合線幾乎不傳導(dǎo)熱量可以忽略［8］;對(duì)于散熱器進(jìn)行實(shí)體建模同樣需要測(cè)量散熱器的基板、肋片以及肋片間隙等相關(guān)參數(shù)。材料熱物屬性設(shè)置:許多文獻(xiàn)［2，3］列出的熱物參數(shù)都是在某一溫度下測(cè)得的。實(shí)際上,材料的熱導(dǎo)率等參數(shù)都與溫度有很大的關(guān)系。作為IGBT芯片的主要材料,硅的熱物屬性隨溫度變化比較明顯,當(dāng)溫度從300K升高到400K時(shí),硅的熱導(dǎo)率下降約31%,相對(duì)于半導(dǎo)體材料,金屬的熱導(dǎo)率隨溫度變化不明顯,當(dāng)溫度從293K升高到473K時(shí),熱導(dǎo)率僅下降2%,焊料層的熱導(dǎo)率隨溫度的變化也很小,并且厚度較薄,可予以忽略［9］?？紤]到溫度的影響,硅的熱導(dǎo)率K、比熱容c可根據(jù)式(1)、式(2)進(jìn)行設(shè)置［10］,其中T為溫度。熱載荷定義:由于IGBT模塊在工作中產(chǎn)生功率損耗,故可將熱生成率作為熱載荷施加在芯片上。根據(jù)傳熱學(xué)的基本理論,傳熱分為傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種基本形式［11］。熱量在模塊各層之間傳導(dǎo),同時(shí)也會(huì)與外界產(chǎn)生對(duì)流和輻射。但由于IGBT模塊各層的導(dǎo)熱系數(shù)較高,熱量主要在層間進(jìn)行傳導(dǎo),最后通過散熱系統(tǒng)將熱量傳遞出去,故可忽略對(duì)流和輻射等其他散熱途徑［3］。求解并提取結(jié)果:瞬態(tài)熱阻抗Zth可定義為傳熱通道上兩點(diǎn)間的溫度差(Tx-Ty)與通道上功耗P之比,如式(3)所示。當(dāng)功耗作用時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí),瞬態(tài)熱阻抗趨于穩(wěn)定,此時(shí)瞬態(tài)熱阻抗Zth即為熱阻Rth。在傳熱通道的任意點(diǎn)設(shè)置溫度探針,可記錄該點(diǎn)隨時(shí)間變化的溫度數(shù)據(jù)。若求兩點(diǎn)間的熱阻抗,將兩點(diǎn)間溫度數(shù)據(jù)代入式(3),可得到兩點(diǎn)間的瞬態(tài)熱阻抗曲線。2.2瞬態(tài)熱阻抗曲線擬合根據(jù)電-熱比擬理論［12］,功耗P、溫度T、熱阻R、熱容C可分別用電流、電壓、電阻以及電容來比擬。半導(dǎo)體器件的熱特性可用RC等效網(wǎng)絡(luò)來描述,如圖2所示,其中Tj、Tc分別代表芯片結(jié)溫與殼溫。圖2(a)所示的Foster網(wǎng)絡(luò)拋開了器件內(nèi)部結(jié)構(gòu),不考慮內(nèi)部每一層結(jié)構(gòu)的熱阻和熱容,通過將實(shí)驗(yàn)測(cè)到的瞬態(tài)熱阻抗曲線進(jìn)行指數(shù)級(jí)擬合,從而獲得所需參數(shù),由于該電路結(jié)構(gòu)便于計(jì)算,大多數(shù)芯片公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)提供這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(如英飛凌公司);圖2(b)所示的Cauer網(wǎng)絡(luò)則反映了器件內(nèi)部各層實(shí)際物理結(jié)構(gòu)的熱阻和熱容,只有當(dāng)?shù)弥械奈锢韺咏Y(jié)構(gòu)和特性后才能建立該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),該網(wǎng)絡(luò)很難通過實(shí)驗(yàn)方法得到［2，13］。在得到瞬態(tài)熱阻抗曲線后,利用Matlab下的Cftool工具箱參照式(4)擬合結(jié)殼熱阻抗Zthjc以及殼經(jīng)導(dǎo)熱硅脂、散熱器到環(huán)境的熱阻抗Zthca曲線。本文采用Foster網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),最終得到的熱-電耦合模型如圖3所示,其中Ta為環(huán)境溫度。3熱電耦合建模的示例3.1igbt芯片熱抗熱性能分析本文以賽米控IGBT半橋模塊SKM200GB12T4為有限元分析對(duì)象。精確測(cè)量模塊內(nèi)部各層尺寸及位置關(guān)系后,可得到IGBT模塊實(shí)體模型。由于模塊結(jié)構(gòu)對(duì)稱,為減少計(jì)算工作量,可取其1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,模塊實(shí)體模型如圖4所示。該模塊各層材料的熱物理屬性參數(shù)設(shè)置見表1［14］;芯片的熱生成率設(shè)置為5×109W/m3,模塊基板與空氣接觸側(cè)面的換流系數(shù)設(shè)置為10W/m2·℃,模塊底部的換流系數(shù)設(shè)置為5000W/m2·℃,以模擬散熱器的作用［3］。有限元分析與廠商提供的IGBT芯片及二極管芯片的熱阻抗曲線對(duì)比分別如圖5和圖6所示,所得到的結(jié)殼熱阻抗曲線與廠商提供的熱阻抗曲線吻合,證明了有限元仿真的正確性。器件廠商提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)只是給出IGBT與二極管芯片的結(jié)殼熱阻抗曲線,但是并沒有為用戶提供實(shí)驗(yàn)所處的溫度與施加的功耗。為了驗(yàn)證器件廠商所提供的熱阻抗曲線普適性,現(xiàn)將環(huán)境溫度分別設(shè)置為25℃和80℃,經(jīng)有限元仿真后得到IGBT芯片結(jié)殼熱阻抗曲線對(duì)比如圖7所示;將IGBT芯片功耗分別設(shè)置為45W與450W,得到不同功率下IGBT芯片結(jié)殼熱阻抗曲線對(duì)比如圖8所示。由圖7、圖8可知,廠商提供的熱阻抗曲線在不同的溫度、功耗等工況條件下具有較好的穩(wěn)定性與普適性。3.2igbt模塊熱阻仿真國內(nèi)的散熱器廠商往往不提供散熱器的瞬態(tài)熱阻抗曲線,而提供熱阻抗曲線的散熱器價(jià)格昂貴,所以用戶有必要自己提取熱阻抗曲線。本文有限元法分析的散熱器如圖9所示,采用自然冷卻方式,其熱物理參數(shù)的設(shè)置參見表2［4］。有些文獻(xiàn)將熱流(功率損耗)直接作用在與IG-BT模塊基板接觸的散熱器表面來獲取熱阻。一方面是功耗從芯片傳導(dǎo)到散熱器表面的面積并不是模塊基板面積;另一方面,由熱特性RC等效網(wǎng)絡(luò)可知,若將熱流直接作用于散熱器表面,則忽略了模塊內(nèi)部各層熱阻、熱容的影響,因此用該方法提取瞬態(tài)熱阻抗曲線將會(huì)引入較大的誤差。將IGBT模塊安放在散熱器上(功率器件與散熱器之間有導(dǎo)熱硅脂,導(dǎo)熱硅脂的熱物理參數(shù)見表3［15］),對(duì)此實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析,考慮到對(duì)稱性,取其1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,如圖10所示。得到的散熱器熱阻抗曲線與熱流直接作用在基板時(shí)的熱阻抗曲線對(duì)比如圖11所示。由圖11可見,IGBT模塊與散熱器整體仿真得到的熱阻抗較熱流直接作用在基板時(shí)的熱阻抗高很多,這也說明了功耗傳導(dǎo)到散熱器的面積小于基板面積。IGBT與二極管芯片下方,殼經(jīng)導(dǎo)熱硅脂、散熱器到環(huán)境的熱阻抗曲線如圖12所示。3.3igbt熱-電耦合模型通過Cftool擬合得到結(jié)殼熱阻抗Zthjc以及殼經(jīng)導(dǎo)熱硅脂、散熱器到環(huán)境的熱阻抗Zthca的相關(guān)參數(shù),建立SKM200GB12T4模塊與散熱器整體的熱特性等效網(wǎng)絡(luò)。若將圖13(a)所示的瞬時(shí)功耗作用在IGBT芯片上,則通過熱-電耦合模型得到IGBT芯片穩(wěn)態(tài)后的動(dòng)態(tài)結(jié)溫如圖13(b)所示。環(huán)境溫度為20℃,由平均功率與穩(wěn)態(tài)熱阻可得到平均結(jié)溫為74.8℃,與圖13(b)的平均結(jié)溫比較一致。動(dòng)態(tài)結(jié)溫隨功率以平均結(jié)溫為基準(zhǔn)上下波動(dòng),若只關(guān)注穩(wěn)態(tài)結(jié)溫,器件在高溫工況下,單個(gè)功率脈沖就很有可能使結(jié)溫超過臨界溫度從而造成器件的損壞。4faster模型預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)結(jié)溫本