一種IGBT傳熱模型參數等效計算方法*

劉賓禮 羅毅飛 汪 波 孟慶云 朱俊杰

(海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室 武漢 430033)

一種IGBT傳熱模型參數等效計算方法*

劉賓禮 羅毅飛 汪 波 孟慶云 朱俊杰

(海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室 武漢 430033)

以電力電子裝置應用領域對IGBT模塊傳熱特性及其散熱設計的需求為牽引，基于Foster與Cauer熱網絡的結構屬性與相互轉換方法，建立了一種IGBT傳熱模型參數等效計算方法并進行了實驗驗證，對其傳熱特性進行了研究，得出封裝各層溫度運行規律及其各層之間的相互作用關系；建立了一種IGBT散熱器傳熱模型參數設計方法并查明了最高結溫、波動范圍隨散熱器熱容的變化規律.

熱網絡結構；等效計算；結溫運行規律；散熱設計

0 引 言

IGBT器件產生的功耗以熱量的形式通過芯片、焊料層、銅層、陶瓷層和基板傳遞至散熱器和外部空間.研究IGBT器件熱量傳遞過程的作用機制，建立封裝結構參數等效計算方法與散熱器設計方法，對于指導制造者改進器件的散熱性能，指導使用者合理設計散熱裝置、

開展結溫預測和設定運行條件[1-7]，具有重大的理論意義和應用價值.

商業IGBT模塊附帶的數據手冊中包含Foster熱網絡結構參數，是通過出廠前測試模塊的瞬態熱阻抗曲線得出的，采用該結構參數可以對IGBT模塊的結溫運行規律進行仿真，但其不具有實際物理意義，不能反映IGBT模塊封裝各層的熱阻與熱容情況，不能有效指導用戶開展熱特性與熱設計研究.而Cauer熱網絡結構與IGBT模塊實際封裝各層存在一一對應關系，通過該結構可以對IGBT模塊封裝各層溫度運行規律進行研究，可以有效指導模塊與散熱器開展熱設計研究.因此，文中通過研究Foster與Cauer熱網絡本身的結構屬性及其相互轉換方法，建立了一種IGBT模塊封裝結構傳熱模型參數等效計算與散熱器傳熱模型參數設計方法.并對IGBT結溫與封裝各層溫度運行規律、散熱器傳熱模型參數與結溫之間的規律進行了研究.

1 IGBT傳熱模型參數等效計算方法

1.1 IGBT傳熱模型結構研究

Foster與Cauer熱網絡結構見圖1.由Foster熱網絡結構轉化為Cauer熱網絡結構的方法如下.

圖1 IGBT模塊熱網絡結構

Foster熱網絡結構熱阻抗，見式(1).

(1)

對式(1)進行通分求和，得式(2).

(2)

則Z(s)導納，見式(3).

(3)

當s→∞時，

(4)

通過式(4)即可得出Foster熱網絡結構對應的Cauer熱網絡結構中，第一層的熱容，見式(5)[8-9].

(5)

(6)

則Y*(s)阻抗，見式(7).

(7)

進而，當s→∞時，

(8)

通過式(8)即可得出Foster熱網絡結構對應的Cauer熱網絡結構中，第一層的熱阻，見式(9).

(9)

(10)

以2階RC熱網絡模型為例，采用功率幅值500 W，周期10 ms，占空比0.5，仿真時長200 ms，對圖2a)Foster熱網絡結構按照上述方法等效變換為Cauer熱網絡結構(圖2b))的正確性與準確性進行了仿真驗證，仿真結果與誤差分析，見圖3.

圖2 熱網絡結構等效變換

圖3為Foster與Cauer熱網絡結構等效變換前后仿真結果與誤差分析，由圖3可知，Foster熱網絡結構仿真結果與等效變換之后的Cauer熱網絡結構仿真結果吻合良好，在結溫波動上升初期，存在微小誤差，可以忽略不計.因此，驗證了Foster與Cauer熱網絡結構等效變換方法的正確性與準確性.

圖3 Foster與Cauer熱網絡結構等效變換前后 仿真結果與誤差分析

1.2 IGBT封裝結構參數等效計算研究

對IGBT模塊數據手冊或實驗測試得到的瞬態熱阻抗曲線進行擬合，即可得到其Foster熱網絡結構參數.進而，采用1.1中Foster熱網絡結構轉化為Cauer熱網絡結構的方法，即可得到IGBT模塊封裝各物理層或主要物理層的熱阻和熱容，用于IGBT模塊結溫運行規律與失效分析研究.

以某型600 V/50 A IGBT模塊為例，采用電流源為IGBT模塊加熱，當芯片結溫達到恒定后，切斷電流源，此時接通熱敏電參數測試結溫用小電流源，實時對芯片結溫進行測試，所得結溫測試結果用于熱阻抗計算[10-11].IGBT模塊瞬態熱阻抗理論表達式，見式(11).

(11)

式中，IGBT芯片結溫Tj通過熱敏電參數法獲取.即在小電流條件下，IGBT芯片結溫與集射極飽和壓降VCE呈線性變化規律.實驗用某型600 V/50 A IGBT模塊熱敏電參數法標定曲線，見圖4a)，通過實驗測得的定標曲線即可得到結溫隨飽和壓降的線性變化規律，見式(12).IGBT模塊殼溫TC通過布置于芯片底板下方的熱電偶獲取.IGBT模塊損耗P為飽和壓降VCE與導通電流IC的積分.

圖4 熱敏電參數法標定曲線與瞬態熱阻抗曲線

Tj=268.7-446.9·VCE

(12)

依據式(11)，采用熱敏電參數法與相應的數據處理方法，即可得到該型IGBT模塊的瞬態熱阻抗曲線，見圖4b).進而，以Foster熱網絡模型的瞬態熱阻抗表達式(13)為目標函數進行曲線擬合，得到Foster熱網絡模型中的熱阻和熱容參數，見表1.

(13)

采用1.1 Foster熱網絡結構向Cauer熱網絡結構的轉換方法，將該型IGBT模塊Foster熱網絡結構(見表1)轉化為Cauer熱網絡結構，見表2.該模型結構可對IGBT實際封裝結構進行表征.

表1 Foster熱網絡模型參數

表2 Cauer熱網絡模型參數

該型600 V/50 A IGBT模塊為課題組長期實驗驗證對象，其封裝結構及其參數，已通過協調廠家獲取，因此，采用已知結構與參數對本文的參數等效計算方法進行了驗證.其封裝為7層結構，由于其中幾層時間常數與相鄰層相比，非常小，可以忽略不計.因此，這些層熱容支路視為開路狀態，而熱阻與相鄰層合并.采用這種方法進行簡化之后的Cauer熱網絡模型為3層結構，見圖5.

圖5 某型600 V/50 A IGBT模塊Cauer熱網絡 結構、參數與簡化過程

圖5中A為該模塊完整7層Cauer熱網絡結構與參數，這些參數通過物理測量與材料物理屬性獲取，過程復雜，適用于理論與實驗研究階段.B和C分別為7層模型簡化之后的熱網絡結構與參數.通過對比表2與圖5中C模型參數可以看出，采用Foster熱網絡轉化為Cauer熱網絡之后的參數與IGBT模塊實際物理層參數吻合較好，驗證了該方法的正確性與準確性.

1.3 IGBT傳熱模型仿真與實驗驗證

針對該型IGBT模塊，采用Foster熱網絡結構轉為Cauer熱網絡結構之后的模型結構與參數，如表2與圖5中C模型參數所示.采用紅外熱像儀測溫法，對轉化之后模型的正確性與準確性進行了實驗驗證.進而，基于Saber仿真平臺，對其傳熱特性進行了仿真研究.

采用恒定可調節電流源作為打開封裝的IGBT模塊的輸入，實驗過程中對飽和壓降和電流進行積分，積分所得功率作為仿真模型的輸入，并采用紅外熱像儀對IGBT芯片溫度進行實時測試.IGBT器件Cauer熱網絡結構仿真與實驗電路見圖6.

圖6 仿真與實驗電路

恒流源輸出電流50 A，IGBT模塊安裝于水冷散熱器，散熱器足以消耗該模塊全工況范圍內的功耗，即IGBT器件殼溫為室溫25 ℃.由于Cauer熱網絡模型計算結果為芯片結溫的平均值，因此，實驗過程中，測取A，B，C3點的溫度取平均值.紅外熱像儀測溫，見圖7a)，仿真與實驗結果，見圖7b).

圖7 紅外熱像儀測溫與仿真結果對比

由圖7b)可知，仿真與實驗結果基本吻合，驗證了由Foster熱網絡模型轉化為Cauer熱網絡模型的正確性.進而，基于該型IGBT器件驗證后的模型，以其典型工況下的功率損耗與頻率作為熱網絡模型的輸入，見表3，對IGBT芯片結溫及封裝各層溫度運行規律與作用關系進行了仿真研究.

表3 典型工況參數

該型IGBT器件各層在上述仿真條件下結溫運行規律，見圖8.

由圖8可知，該模型可對IGBT器件各實際物理層溫度進行仿真.芯片層、DBC層、基板層溫度依次逐漸降低，溫度波動范圍逐漸減小，即所承受的熱應力逐漸減小.因此，該模型計算結果可為IGBT器件各層材料與結構設計、封裝各層失效分析提供依據.

圖8 IGBT芯片、DBC、基板等效層溫度運行規律

2 散熱器傳熱模型參數設計方法

電力電子裝置設計人員希望通過IGBT模塊廠家提供的數據手冊和裝置的工況，以最快捷簡便的方法完成IGBT器件的散熱器設計.散熱器的熱阻、熱容、散熱方式決定了其散熱性能，因此，設計合理的散熱器即對上述參數進行優化.以一種大功率電力電子電能變換裝置常用型號1 700 V/3 600 A IGBT模塊為例，對IGBT模塊散熱器的設計方法進行了研究.

IGBT器件數據手冊會提供Foster熱網絡結構的特征值，通過特征值即可計算出該網絡結構下的熱阻和熱容，進而，采用Foster與Cauer熱網絡結構轉換方法，將Foster網絡結構轉化為Cauer熱網絡結構，該型1 700 V/3 600 V IGBT模塊的Cauer熱網絡結構與散熱器參數，見圖9.數據手冊提供殼至散熱器熱阻為0.008 7 K/W，殼到散熱器熱容為500 J/K，常用散熱器熱阻為0.002 K/W.通過改變散熱器熱容，即可實現需求工況下的散熱設計.

圖9 熱網絡結構與散熱器參數

采用Saber仿真平臺對該模塊不同散熱器設計下的結溫運行規律進行了仿真研究.仿真針對某型電力電子裝置的典型工況開展，該工況下IGBT器件的損耗情況可等效為，周期3 s，占空比1/6，0～0.1 s損耗功率由0線性增大至4.5 kW，0.1～0.4 s為4.5 kW保持不變，0.4～0.5 s由4.5 kW線性增大至5 kW，隨即裝置停止工作2.5 s.單周期IGBT芯片損耗功率，見圖10.

圖10 IGBT單周期損耗功率

環境溫度50 ℃，散熱器熱容5 000 J/K，仿真時長600 s時，單周期與多周期結溫運行規律，見圖11.

圖11 IGBT模塊單周期與多周期結溫運行規律

由圖11a)可知，在0～0.5 s內，結溫依據損耗功率輸入規律呈逐級增大趨勢，最高溫度達79.7 ℃.在0.5～3 s內，功率輸入為零，結溫從79.7 ℃呈指數規律下降.由圖11b)可知，在0～200 s仿真時長內，結溫由初始溫度逐漸波動上升直至穩定.

在散熱器不同熱容設計、仿真時長600 s情況下，IGBT模塊結溫運行規律，見圖12與表4.

由表4可知，IGBT芯片最高結溫與波動范圍隨散熱器熱容的增大逐漸減小.當散熱器熱容為0.5，5，50 J/K時，IGBT芯片結溫無溫度累積效應.當散熱器熱容為500，5 000 J/K時，IGBT芯片結溫有溫度累積效應，且結溫達到穩定的時間分別為30.5，222.5 s，即芯片結溫達到穩態的時間隨熱容的增大而增大.依據上述方法、IGBT模塊運行結溫要求與散熱器的散熱方式，可對散熱器進行合理設計.

表4 散熱器不同熱容設計結溫信息

3 結 束 語

電力電子裝置及組件熱設計是保證其完成指定功能與可靠運行的重要環節.本文通過研究Foster熱網絡結構與Cauer熱網絡結構之間的轉換方法，建立了一種IGBT模塊封裝結構傳熱模型參數等效計算方法，并對其各層結溫運行規律進行了研究.通過研究散熱器結構參數與結溫之間的關系及規律，建立了一種散熱器傳熱模型參數設計方法.為實現散熱設計與可靠性分析奠定了基礎.

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An Equivalent Parameter Calculation Method of IGBT Thermal Model

LIU Binli LUO Yifei WANG Bo MENG Qingyun ZHU Junjie

(NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonVesselIntegratedPowerSystem,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)

Considering the power electronic equipment applications demanding for IGBT thermal characterization and design, an equivalent parameter calculation method of IGBT thermal model is established and verified experimentally, based on the properties and transformation methods between Foster and Cauer thermal network. The thermal characterization is studied, thus the temperature operation rule and interaction of each package layer are obtained. A design method of radiator thermal model is established, thus the laws of maximum junction temperature and fluctuation range with radiator capacitor are found.

structure of thermal network; equivalent calculation; operation rule of junction temperature; thermal design

2016-12-15

*國家自然科學基金項目(51490681、51507185)、國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2015CB251004)資助

TN607

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.008

劉賓禮(1984—)：男，博士，助理研究員，主要研究領域為IGBT器件建模、健康狀態監測與可靠性研究