开关电源中IGBT模块散热分析_刘猛

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1、第２８卷第７期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．７２０１６年７月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＪｕｌ．，２０１６开关电源中ＩＧＢＴ模块散热分析＊刘猛，王庆峰，刘庆想（西南交通大学物理科学与技术学院，成都６１００３１）摘要：基于绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）模块的实际结构，建立了开关电源ＩＧＢＴ模块有限元等效热分析模型和双热阻模型。在开关电源实际工作情况下进行温度测量实验，结合实际运行时的电压电流曲线，给出模块的总损耗。仿真拟合出热特性主要参数瞬态热阻，与厂商数据手册提供的实测

2、热阻曲线进行对比，两者曲线基本一致，验证了有限元热分析等效模型合理。分别将有限元等效模型与双热阻模型进行稳态热仿真，与实验对比分析，得到实际工况下ＩＧＢＴ模块温度场分布及芯片结温。分析双热阻模型的优缺点，并提出了改进方案。关键词：开关电源；结温；ＩＧＢＴ；瞬态热阻中图分类号：ＴＭ９３０文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１１８８４／ＨＰＬＰＢ２０１６２８．０７３００１随着电力电子器件的发展，绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）模块已经广泛应用于开关电源、逆变换器、变频器［１－２］等高压大容量电力电子领域。随着ＩＧＢＴ模

3、块电压等级的提升、开关频率的提高，致使开关管的损耗也不断上升，模块内部的发热量也越来越高。ＩＧＢＴ的工作特性受温度影响较大，半导体物理常数与器件内部参数都会随温度的变化而改变，从而导致ＩＧＢＴ的开通、关断速度、通态压降等性能指标发生变化。ＩＧＢＴ模块的热损耗主要包括开、关损耗和通态损耗。当开关工作在较低频率时，主要以通态损耗为主；随着开关频率的逐渐增加，开、关损耗所占的比例快速上升，如果散热措施不佳，会使器件性能下降，甚至烧毁。ＩＧＢＴ模块的散［３－４］热问题及结温预测成为器件甚至整个系统能否维持稳定工作

4、状态的重要因素。ＩＧＢＴ模块的结温过高会引起键合线熔断、焊料失效、基片损坏等故障，实时的预测动态结温对于提高系统的可靠性具有非常重要的意［５］义。本文将已研制的５０ｋＷ开关电源ＩＧＢＴ模块为研究对象，建立ＩＧＢＴ模块的有限元等效模型，结合热特性主要参数瞬态热阻，验证等效模型的合理性。计算双热阻模型的热阻，将有限元模型与双热阻模型在实际工况下仿真，结合实验温度数据，对比分析双热阻模型的优缺点，并提出改进方案。１模型建立１．１有限元分析等效模型开关电源实际工况下ＩＧＢＴ模块的三维模型如图１所示。ＩＧＢＴ型号为

5、英飞凌公司生产的ＦＦ４００Ｒ１２ＫＴ３＿Ｅ，内部封装两只ＩＧＢＴ模块。故１２只ＩＧＢＴ模块组成的六组双向开关，每组双向开关由两只ＦＦ４００Ｒ１２ＫＴ３＿Ｅ模块并联组成，它们并排安装在水冷板散热器上。ＩＧＢＴ模块各层材料的导热系数较高，芯片产生的热量主要通过焊层、衬板、基板和散热器将热量传递出去。由于ＩＧＢＴ模型过于复杂，其内部一些模块对温度分析影响不大，故对其进行简化处理。根据分析可得，ＩＧＢＴ外壳、三个电极模块、芯片Ｆｉｇ．１３ＤｍｏｄｅｌｓｏｆＩＧＢＴｍｏｄｕｌｅ图１ＩＧＢＴ模块三维模型间互联键合线等

6、对温度分析的影响不大，故建立等效模型时忽略ＩＧＢＴ的以上模块。测量模块内部各层尺寸及位置关系后，建立ＩＧＢＴ等效模型如图２所示。１．２双热阻模型双热阻模型将功率芯片简化为两个串联的热阻，因此模型的建立实质就是获取芯片的双热阻模型参数，即θｊｔ和θｊｂ的值。双热阻模型原理图如图３所示。芯片将热量从封装内部散发到环境中有两条路径，一条是从芯＊收稿日期：２０１５－１２－１０；修订日期：２０１６－０１－２８基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金项目（ＳＷＪＴＵ１４ＣＸ０８６，ＳＷＪＴＵ１４ＣＸ０８９，ＳＷＪＴＵ

7、１４ＣＸ０９０）作者简介：刘猛（１９９０—），男，硕士，从事热分析与微电子器件封装研究；ｌｉｕ＿ｍｅｎｇ＿ｘｓｚ＠１６３．ｃｏｍ。强激光与粒子束片结到芯片壳体表面然后再散发到周围环境，另一条是从芯片结到与芯片固连的ＰＣＢ板然后再散发到周围环境。Ｑ表示芯片结产生的热量，Ｑ表示从芯片结到ＰＣＢ板传递的热量，Ｑ表示从芯片结到芯片表面所传递ｊｂｃ的热量，Ｔ，Ｔ，Ｔ和Ｔ分别表示芯片结温度、芯片壳体表面温度、ＰＣＢ板温度和环境温度，θ为芯片壳体表ｊｃｂａｃａ面到环境的热阻，θ为ＰＣＢ板到环境的热阻，根据传热学原理可以

8、推导得到ｂａθｊｂ＝ｆ（θｊａ，Ｔ，Ｔａ，ｖａｉｒ，Ｗ，ｔ，κ，ＷＩＣ，ＬＩＣ）（１）θｊｔ＝ｆ（θｊａ，θｊｃ，Ｔ，Ｔａ，ｖａｉｒ，Ｗ，ｔ，κ，ＷＩＣ，ＬＩＣ）（２）式中：Ｔ为芯片表面温度，ｖ为空气流速，κ为ＰＣＢ板导热系数，ｔ为ＰＣＢ板厚度，Ｗ为芯片宽度，Ｌ为芯片ａｉｒＩＣＩＣ长度，θ为结到环境的温度；θ为结到外壳的温度。ｊａｊｃＦｉｇ．２ＳｏｌｉｄｍｏｄｅｌｏｆＩＧＢＴｍｏｄｕｌｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔＦｉｇ．３Ｔｗ