IGBT热仿真建模分析.pdf

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1、IGBT功率管热仿真工作总结一、【问题描述】：大功率IGBT是我司产品中的常用器件，尤其是在功率模块中，例如风能功率模块，光伏逆变器等。在这些产品中，IGBT有一个共同特点：功率密度大，工作温度高。如果不能建立有效的散热途径，将热量散出，IGBT工作温度超过允许值，就会损毁。在产品设计的初始阶段，如何利用仿真手段准确评估IGBT的结温，建立有效的散热途径就成为热设计工程师急需解决的问题。二、【原因分析】：IGBT芯片Diode芯片图1IGBT内部结构图硅凝胶DBC图2IGBT内部芯片焊接结构简图IGBT内部结构如图1所示，发热器件由多组芯片组成，

2、每一组芯片由一个IGBT芯片和一个Diode（二极管）芯片组成（视具体情况而定，有些IGBT中，一组芯片中IGBT芯片数和Diode芯片数不同）。图1中绿色方框中的为IGBT芯片，黄色方框中的为Diode芯片。如图2所示，IGBT芯片和Diode芯片正上方是一层厚度约5mm，导热系数为0.15W/m.K的透明硅凝胶；芯片直接焊接在DBC层上，DBC层再焊接在铜基板表面。DBC层由0.38mm厚氧化铝陶瓷片上下紧密贴附0.3mm厚铜皮组成（DBC的具体结构和制造厂家有关，另外相同厂家不同型号的产品具体结构也不相同，本文只介绍一种典型的结构）。由于芯

3、片上部的硅凝胶导热系数很小，芯片产生的热量主要通过下方的铜基板传到散热器上。芯片和散热器之间的热阻分布如图3所示，归纳起来可分为两部分：①结壳热阻（芯片到铜基板的热阻）；②壳到散热器的热阻（铜基板和散热器之间的热阻）。热流方向图3IGBT热阻网络图IGBT的最高使用温度和热阻数据可以从厂家提供的器件资料中查到。通常产品中使用的IGBT管子（一个桥臂）实际是将两个IGBT封装在一起，如图4所示。厂家给定的热阻值可能是其中一个IGBT的值，也可能是整个IGBT管子（一个桥臂）的热阻，根据具体资料确定。以英飞凌FF1000R17IE4为例，FF1000

4、R17IE4管子内部共有12组芯片（一组芯片包含一个IGBT芯片和一个Diode芯片；一个IGBT有6组芯片）。表一、表二中所列热阻为一个桥臂中一个IGBT的热阻，其中第一行分别为一个IGBT中所有IGBT或Diode芯片到铜基板的总热阻(Rjc)，第二行为所有IGBT或Diode芯片对应的铜基板到散热器的总热阻(Rch)；表三中热阻值为一个桥臂铜基板到散热器的热阻(实际等效于R1ch到R12ch的共同作用结果)。一个IGBT一个IGBT图4英飞凌FF1000R17IE4内部芯片布局（一个桥臂）表一表二表三热阻的计算遵循电阻的计算原则。沿着热流方

5、向，并联热阻倒数之和等于总热阻的倒数；串联热阻之和等于总热阻。从图3可以看出，各芯片到铜基板的热阻是一种并联关系，单个芯片的结壳热阻（Rijc）和壳到散热器的热阻（Rich）是串联关系。三、【解决方法】：1.热仿真建模对于IGBT的Flotherm热仿真建模有两种方法：①实体建模；②热阻法建模。①实体建模：实体建模是根据IGBT的结构尺寸分别建立铜基板、导热绝缘层、芯片、表面封装，力求做到真实。由于IGBT内部结构复杂，导热绝缘层分层较多，且每一层尺寸较小，材料属性各异，如图2所示。如果完全按照实物建模，会大大增加计算的工作量，所以在实际建模时，

6、忽略焊接层，将氧化铝陶瓷及其两面所敷的铜这三层简化为一个DBC实体，并根据经验给一个导热系数值。铜基板按实际尺寸建模，在铜基板外侧贴附面热阻，热阻值根据表三数据换算即可。DBC层贴附铜基板内侧。芯片以等面积的面热源代替，贴在DBC上，热源方向指向铜基板。封装以IGBT封装外轮廓为尺寸建模。图5IGBT的Flotherm热仿真模型②热阻法模型：在实体建模方法基础上，用等面积的铜片代替芯片，芯片厚度为0.3mm（不能压缩），给芯片贴附相应的结壳热阻（附在和DBC接触的一侧），同时将铜基板和ＤＢＣ的材料属性设为各向异性，其中沿热流方向设为5000W/m

7、.K，其余两个方向保持材料原来的属性（厂家给出的热阻数据已经包含了DBC和焊接层的热阻）。以英飞凌FF1000R17IE4为例，IGBT采用液冷的散热形式。IGBT总损耗为1589.7W，单个IGBT芯片损耗为99.05W，单个Diode芯片损耗为33.425W。图6为两种不同的建模方法仿真结果对比，从结果可以看出，利用两种建模方法仿真得到的散热器和IGBT铜基板温度比较接近，利用热阻法建模得到的芯片温度比实体建模高。两种建模方法得到的结与铜基板间的温差如表四，热阻法建模计算结果更接近实际温度场。表四单位：℃理论推算实体建模计算结果热阻法建模计算

8、结果IGBT芯片结到2014.521.5铜基板温差Diode芯片结到1510.614.7铜基板温差（注IGBT理论温差推算具体见表五）图