基于ANSYS的1700V-3600A IGBT模塊熱性能仿真

孟昭亮，韓立業，孫 浩

（1.西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安　710048；2.西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安　710048）

基于ANSYS的1700V-3600A IGBT模塊熱性能仿真

孟昭亮1，2，韓立業1，孫 浩1

（1.西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安710048；2.西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安710048）

本文主要針對1700V/3600A IGBT模塊進行了熱學分析，建立與其相應的等效熱阻模型，并根據IGBT損耗的計算方法計算出IGBT工作時的損耗，通過ANSYS軟件對IGBT進行建模、仿真，得到其穩態時的內部溫度分布，分析穩態時是否超出了IGBT的最大溫度限制，驗證其工作穩定性。

ANSYS；IGBT；損耗；模型；仿真

當前，隨著大功率IGBT模塊的應用愈來愈普遍，尤其是在軌道交通、智能電網、新能源汽車、新能源發電等領域擁有至關重要的作用，成為目前世界學術界及工業領域研究的熱點［1］。對于集成式的功率模塊來說，工作時其內部的芯片損耗功率，相當于熱源，熱量經過焊層、襯板、基板等，經由散熱器散熱［2］。隨著功率器件的高頻化，其內部芯片損耗的功率也隨之越來越高，這就造成模塊的結溫增大，當結溫超過一定值時，IGBT模塊的工作可靠性就將大大降低。

文中通過對1700V-3600A IGBT模塊進行熱學分析，建立與其相對應的熱阻模型，并利用ANSYS軟件對模塊經行建模與仿真，得到IGBT穩態時的溫度分布，將得到的仿真結果同實驗結果對比，驗證IGBT長時間工作后達到穩態時的溫度是否其超過了正常工作的溫度限制。

1　熱學分析

本節主要介紹了IGBT的結構以及其工作時的散熱過程，并通過對IGBT進行熱阻建模分析了其熱性能特性。

1.1模塊結構

文中所研究的1700V/3600A IGBT模型如圖1所示，其內部由4個子單元組成，每個子單元主要包括4件IGBT和 6件二極管以及DBC輔助電極、硅片電阻和鋁絲，子單元的模型如圖2所示。

圖1　IGBT模塊

圖2　IGBT的內部結構

圖3　IGBT單元模型及熱傳導

模塊內部結構主要由七層不同的材料組成，包括6個不同的接觸面。模塊中的單元模型如圖3所示，模塊工作時的主要發熱是由IGBT和續流二極管的損耗導致的，在熱學中相當于發熱源，由熱傳導原理可以得出，由IGBT和續流二極管發出的熱量向下經過二次焊層、DBC襯板、一次焊層、基板傳導，最終通過與基板連接的散熱裝置散熱，使IGBT模塊在允許的溫度范圍內正常工作［2］。

1.2熱阻模型

對于功率器件集成模塊而言，模塊的結殼熱阻是評價器件性能及進行應用計算仿真的重要參數，是模塊熱學特性的重要體現［3］。為了更好地分析IGBT模塊工作時的熱性能，對穩態時的結殼熱阻進行檢測，可以得出IGBT長時間工作達到穩態后的溫度是否超過了最大的溫度限制。熱阻Rth是導熱介質兩端的溫度差與通過熱流功率的比值，單位為℃/W或K/W［4］。熱阻用公式（1）定義：

式中：T1為發熱部位的溫度值；T2為某參考點的溫度；Pv為芯片的損耗。

從式中可以看出熱阻的大小是由ΔT和Pv共同決定的，在同一個工作環境下，Pv一般是可以通過計算得到的，因此熱阻的大小主要由ΔT決定，ΔT越小，相對應的熱阻也越小，也就是說如果IGBT模塊相對應的熱阻值越小，對應的結溫升溫就越小，IGBT在穩態時的最大溫度超出限制的可能性就越小。本文采用圖4方式來確定1700/3600 IGBT模塊的熱阻模型。

圖4　IGBT單元模型的熱阻模型

如圖4所示，熱阻模型采用將IGBT模塊中的各層等效在一個節點的方式，這樣就避免了因沒有考慮溫度在芯片上和封裝外殼上的分布是不均勻的，以及模塊中各個單元以及子單元中不同層的熱耦合作用等因素造成的誤差［4］，得到的結果更加準確，由此可以得到模塊的熱阻模型如下圖所示。模塊中的各層均等效為相應的阻抗，這樣IGBT模塊損耗的功率就通過芯片以及各層對應的阻抗傳導至散熱器。如果已知了IGBT的功率損耗，并且假設已知，結溫就可由式（2）求得：

式中：P（t）為IGBT功率損耗；Zthjc（t）是模塊的結殼熱阻；Tcase為基板的溫度。

2　IGBT模塊的損耗計算

IGBT模塊在工作時的功率損耗主要包括與續流二極管的通態損耗和開關損耗。

2.1通態損耗

對于IGBT而言，在一個控制周期內的通態損耗用式（3）表示：

式中：Vceo為IGBT通態狀態下的正向管壓降；i為IGBT通態時的電流；rce為UGBT的結熱阻抗；M為正弦調制PWM輸出占空比；cosφ為PWM輸出功率因數。

同樣的續流二極管的通態損耗可用式（5）表示：

式中：VFO為通態狀態下續流二極管的管壓降；i為通過續流二極管的運行電流；rT為二極管結熱阻抗；M為正弦調制PWM的輸出占空比；cosφ為PWM輸出功率因數。

2.2開關損耗

IGBT的開關損耗是在器件開通時的開通能量損耗和關斷能量損耗之和。其計算公式為：

式中：Psw為IGBT的開關損耗值；f為IGBT的開關頻率；Eon為 IGBT在單次觸發脈沖導通時損耗的能量；Eoff為 IGBT在單次觸發脈沖關斷時損耗的能量。

由于續流二極管的開通能量損耗可以忽略不計，因此，續流二極管的開關損耗的計算公式為：

式中：Prec為二極管的開關損耗值；f為二極管關斷頻率；Eoff為二極管單次關斷脈沖的能量損耗。

2.3模塊總損耗

IGBT總損耗包括通態損耗與開關損耗，用式（8）表示：

續流二極管總損耗PD等于二極管的通態損耗與開關損耗之和，用式（9）表示：

由此可得IGBT模塊總的損耗Ptot為：

3　仿　真

本節主要利用ANSYS軟件對IGBT模塊進行建模，對其內部傳熱進行仿真，得到其穩態時的溫度分布。

3.1建立模型

文中使用ANSYS對IGBT模塊進行熱性能仿真，在進行仿真前對仿真模型進行幾點說明：1）為了突出重點并節約計算機資源，減少計算時間，僅對IGBT模塊中的一個子單元進行熱學仿真［5］。2）由于IGBT與二極管是主要的發熱源，子單元中的鍵和鋁絲的發熱量與之相比較可以忽略不計，因此在建立仿真模型時就將這兩部分忽略。3）子單元中的DBC輔助電極與硅片電阻直接與焊層連接，其熱量可直接通過焊層散熱，在仿真過程中同樣可以忽略不計。4）認為焊層中不存在任何空洞、缺陷，所有的焊層都是均勻的［6］。通過計算得到子單元中的IGBT和二極管所消耗的功率，在仿真過程中相當于在IGBT芯片和二極管上施加熱流密度，在底板上施加對流系數，并規定底板的溫度為室內溫度25℃，施加過條件后進行模型的熱穩定分析，IGBT子單元的仿真模型如圖5所示。

圖5　IGBT有限元模型

3.2仿真結構

完成IGBT單元建模及其邊界條件與負荷的施加后，得到了IGBT單元的穩態溫度分度，如圖6所示。IGBT的最大允許溫度為150℃，在任何情況下都不能超過其額定值，最差環境下的最大結溫限定在125℃或以下。從圖中可以看出IGBT工作時的最高溫度是125℃，低于150℃，證明IGBT經過長時間的工作后仍工作正常。

圖6　仿真結果

4　結論

文中介紹了1700V-3600A IGBT模塊工作的損耗及其熱阻模型，并通過ANSYS軟件對其經行建模，仿真，得到其穩態時的溫度分布，通過分析得出IGBT模塊長時間工作仍可工作在其溫度極限下的結論。

［1］劉國友，吳義伯，徐凝華，等.牽引級1500A/3300V IGBT功率模塊的熱學設計與仿真［J］.機車電傳動，2013（1）：34-38.

［2］張健，呂長志，張小玲，等.基于ANSYS的IGBT熱模擬與分析［J］.微電子學，2011，41（1）：139-142.

［3］方杰，常桂欽，彭勇殿，等.基于ANSYS的大功率IGBT模塊傳熱性能分析［J］.大功率變流技術，2012（2）：20-24.

［4］Freescale.Thermal Analysis for Semiconductor［M］.Technologynote，2007.

［5］陳明，胡安，唐勇，等.絕緣柵雙極型晶體管傳熱模型建模分析［J］.高電壓技術，2011，37（2）：453-459.

［6］鄭軍，王曉寶，關艷霞.基于Ansys軟件的大功率IGBT模塊內部傳熱研究［J］.電力電子技術，2011，45（1）：104-105.

Analysis of 1700V-3600A IGBT module thermal performance based on ANSYS

MENG Zhao-liang1，2，HAN Li-ye1，SUN Hao1
（1.Dept of Electronics&Information，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China；
2.Dept of Automation and Information Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China）

The thermal management of 1700V/3600A IGBT power module was developed in this paper.First，an equivalent circuit model for thermal resistance of power module was established.According to the calculation method of IGBT，the loss of IGBT model is calculated when the IGBT works.Modeling and simulation of the IGBT by the ANSYS software.The internal temperature distribution is obtained when the steady state.Analysis of steady state whether exceeds the maximum temperature limit of IGBT.Verify whether the IGBT is working properly after long time work.

ANSYS；IGBT；loss；modle；simulation

TN386.2

A

1674－6236（2016）06-0046-03

2015-04-28稿件編號：201504301

西安市科技計劃項目（CXY1437（3））

孟昭亮（1987—），男，陜西興平人，碩士，助教。研究方向：嵌入式及電力電子功率集成。