功率模块热仿真分析与实践.pdf

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1、第4期2011年8月机电元件ELECTRoM匮CHANlCALCO^Ⅱ’oNENTSVoL3lNo．4Aug．2011功率模块热仿真分析与实践范结义(厦门宏发电声有限公司361021)摘要：功率模块的散热非常重要。良好的热设计是保证器件工作稳定与可靠性的不可或缺的条件。本文采用有限元方法分析软件ANSYS对功率模块进行热仿真，并通过实践测试进行验证。关键词：功率模块散热；热设计；ANSYS仿真Doi：10．3969／j．issn．1000—6133．2011．04．006中图分类号：TN784文献标识码：A文章编号：1000-6

2、133(2011)04-0057一031概述在现代工业中，功率模块得到了越来越广泛的应用，同时产品的可靠性问题也越来越受到大家重识，而影响产品可靠性的一项重要因素就是产品的热设计。热设计包括两部分：1)模块自身结构的热设计；2)应用中散热器的设计。为了提高产品的性能及可靠性，更快地将产品投放市场，降低设计、生产和重复设计、生产的费用，减少试验和测量的次数，目前市场上涌现出许多热仿真的软件，有基于有限体积法的Flotherm、I—deas，Ice—pack，Tas—Harvardthermal，CoolitlBeta—soft，以

3、及基于有限元分析方法的ANSYS等。下面对当前市场上应用最受欢迎的一款功率模块进行ANSYS热设计仿真和实践测试验证。绝缘栅双极型晶体管(简称IGBT)是由MOS—FET和双极型晶体管复合而成的一种器件，它具有MOSFET驱动功率小和开关速度快的优点，同时又有双极性晶体管饱和压降低和容量大的优点，因此倍受用户青睐，其应用领域越来越广泛。以半桥双单元PM75D120模块为例，它由2个IG-明芯片和2个二极管芯片组成，电路原理图见图l。收稿日期：2011一04—08G1E1G2E2．C'C2E1图IIGBT模块PM75D120的电路

4、原理图2IGBT模块热设计仿真2．1建立IGBT模块散热模型IGBT模块的损耗包括动态损耗和静态损耗，为了简化说明，本文主要研究单个IGBT芯片在静态工作时的热分布。整个模型如图2所示，模型由IGBT芯片、DCB(DirectCopperBonded)散热基板、Cu机电元件2011年底板、散热器连接组成。其中，IGBT芯片到DCB板、DCB板到cu底板是通过焊锡连接而成，cu底板与散热器之间涂敷导热硅脂。．‘o——一——一[==]Ⅲt目m，’iⅢ‘L：BIⅢ{m{一⋯iE：⋯==]Ⅲ¨t^-·：nJ1㈣￡m。}Ⅱc===州p=—

5、一ETzP●■■_Ⅲ目，，～¨。c!!E㈣●图2IGBT模块散热模型截面图Tj表示IGBT的结温，Rth(J—a)表示IGBT芯片与DCB问的热阻，Rth(a—b)表示DCB与cu底板间的热阻，Rth(b—c)表示cu底板与散热器间的热阻，Rth(c—d)表示散热器与周围空气问的热阻，Td环境温度，P表示IGBT的耗散功率，于是Tj=Td+P×{R山(i—a)+RtIl(a—b)+Rth(b—c)+Rth(c—d)}，等效电路图如下：誓[]翌[]2[]堡[]gItL_ll一．1t¨l⋯lIt¨。I．．．IIt,‘-l。_，图3模

6、型的热阻等效电路图2．2ANSYS软件仿真根据1GBT模块的散热模型，以及模块各部分材料的尺寸及材料导热系数(见表一)，利用ANSYS软件，可以将各个功率条件下的热分布情况模拟出来，具体的分布情况如图4、图5和图6所示。图4P：38．4W时模块热分布图图5P=577w时模块热分布图图6P=80．2W时模块热分布图衰1材料热传导系数表2仿真观测点温度列表温度单位：℃＼、观测点观测功率＼＼点1点2点3点4点5点6点7点8点9点10P=384W5213250．715323250．965509653．36346．3284641752．3

7、4662．186P=57．7W6625964．1146790764．5046449468．09957．534576696662780．736P=802W82．74379．7438500280．27580．26l852737059970．7883183103．27第4期范结义：功率模块热仿真分析与实践592．3实际测量30A，40A，50A电流，直到整个模块达到热平蘅轶在温度实测过程中，我们对单个IGBT依次进态，再用热电偶对各观测点进行实地测量。表3观测点实际测量温度列表温度单位：℃＼＼观测点观测功率＼＼点l点2点3点4点5点6

8、点7点8点9点10P=38．4W5l℃49℃53。C50。CP：57．7W66℃6l℃69℃64℃52℃52cc43℃44℃52℃63℃65℃68℃57℃60℃68℃84℃P：80．2W80。C73℃84'E80℃80。C80℃67。C7l℃83。C105"C3