基于半直接耦合的壓接型IGBT模塊功率循環仿真方法

李巖，侯婷，何智鵬，姬煜軻

(直流輸電技術國家重點實驗室(南方電網科學研究院)，廣州 510663)

0 引言

壓接型IGBT模塊由于具有高耐壓、大額定電流、失效后短接電路等特點，逐漸取代了傳統焊接型IGBT模塊成為市場應用的主流[1]。隨著我國近年來大容量柔性直流項目的大量開展，壓接型IGBT模塊的市場份額得到進一步提高。

隨著壓接型IGBT模塊的大規模應用，其可靠性研究以及壽命預測逐漸得到了學者的關注。功率循環實驗是建立電力電子器件壽命模型并研究其失效機理的重要實驗方法[2]。雖然功率循環實驗通過設置相較于實際工況更高的運行結溫和更大的溫度波動范圍以達到加速器件失效的效果，然而由于疲勞積累過程緩慢，該實驗依然對時間和電能存在巨大消耗。重慶大學陳民釉團隊得到的實驗數據顯示，對某型號額定電流50 A的壓接型IGBT模塊進行功率循環試驗時，結溫波動范圍為30 ℃到140 ℃，在6 000次循環后才出現失效[3]。此外，由于壓接型IGBT模塊在功率循環過程中存在溫度梯度，因此器件結溫與殼溫測量點的選擇對于器件可靠性評估和壽命預測有著比較大的影響。因此，建立一種高效便捷的功率循環仿真方法，對有效解決這一問題具有重要意義。

有限元分析(finite element analysis, FEA)是指把一種實際中的連續的物體模型劃分為有限個單元，另外存在著有限個節點把這些單元相互連接起來對各節點進行計算的算法[4]。該算法可以適用于三維物體多物理場行為的描述。因此功率模塊的多物理場有限元仿真得到了學者的廣泛關注[5]。

然而，目前的研究更多地集中在穩態仿真方面，用以得到穩態工況下功率模塊內部熱和應力的分布情況。由于瞬態仿真運算量較穩態而言存在求解過程數據量大，迭代過程難以收斂，耦合過程復雜等問題，因而成為了研究難點[6]。本文提出了一種基于等效電導率的半直接耦合仿真算法，用以研究壓接型IGBT模塊在功率循環過程中的熱瞬態過程。該方法充分考慮了壓接型IGBT模塊損耗功率隨溫度變化的特性，提高了仿真精度，對于模塊可靠性研究和壽命預測起到了指導作用。

1 壓接型IGBT結構

圖1為某型號壓接型IGBT模塊3D模型，模塊整體為圓柱體結構，底面圓直徑92 mm，高22 mm，上下兩側為銅電極，周圍由陶瓷固定，模塊內部充入惰性氣體用以絕緣。該3D模型對實際模塊進行了簡化。由于陶瓷外殼對模塊的熱傳導過程影響很小，因此可以忽略該結構。3D模型自上而下依次為集電極凸臺、集電極鉬片、芯片、發射極鉬片、發射極凸臺，整個模塊包含21塊芯片。由于門極彈簧、PCB等結構同樣對于熱傳導過程影響也很小，因此在建模中也加以忽略。整個結構由外部裝配力緊密壓接，底部放置碟簧以平衡熱應力帶來的形變。

圖1 某型號壓接型IGBT模塊結構示意圖Fig.1 Sketch diagram of a certain type press-pack IGBT module structure

2 功率循環實驗

功率循環和溫度循環是功率模塊可靠性分析和壽命預測的重要試驗方法。兩者均是模擬功率模塊受周期性的熱應力導致材料老化失效的情況，但是兩者在原理上還存在著差異。功率循環電路原理圖如圖2所示，由電壓源與電感L構成等效恒流源，待測IGBT模塊常導通，通過加熱控制開關實現待測模塊電流通斷控制和功率模塊結溫的周期性波動。而溫度循環利用外界的溫度變化通過熱量的傳導以達到結溫周期性波動的效果。簡單來說，功率循環以功率器件內部芯片作為熱源而溫度循環通過熱量傳導加熱模塊，模塊自身不發熱[7]。

圖2 壓接型IGBT模塊功率循環測試平臺原理圖[8]Fig.2 Schematic diagram of press-pack IGBT module power cycle test platform

對于傳統焊接型IGBT模塊，功率循環實驗可以有效考量芯片附近封裝(主要是芯片焊層和鍵合線)的可靠性，溫度循環實驗可以考量模塊外部封裝(主要是基板焊層)的可靠性。對于壓接型IGBT模塊，由于其失效主要出現在芯片以及芯片與鉬片連接處，因此功率循環實驗更適用于壓接型IGBT模塊[9]。

根據JEDEC組織的測試標準JESD22A122[10]，功率循環測試主要用來驗證各組分材料尤其是連接面的可靠性。通過控制IGBT周期性的開通和關斷，利用芯片的通態損耗對芯片進行周期性的加熱冷卻，以得到周期性的結溫波動和溫度梯度。功率循環測試主要分為固定功率測試和可變功率測試2種。其中固定功率測試主要通過控制單個周期內芯片導通時間和關斷時間恒定來實現，且不隨器件老化的發生而改變?？勺児β蕼y試主要通過控制器件的結溫上限和下限不變，由于結溫敏感參量隨著老化的發生而變化，導致老化后的結溫測量出現偏差，進而使得單功率循環周期內加熱功率發生變化[11]。通常情況下，功率循環實驗通過IGBT小電流下的飽和壓降與結溫呈線性關系這一特點來測量器件結溫，通常結溫越高，則壓降越大。同時，器件在老化過程中，飽和壓降將增大[12]。因此，可變功率的方法在器件老化后所測得的結溫偏高，從而導致單周期加熱時間減少，加熱功率降低。由此可見，固定功率式功率循環測試有著更加嚴苛的測試條件，因此被更多的學者認可[13]。

3 壓接型IGBT模塊損耗計算

功率循環實驗中，驅動電路為器件提供穩定的開通電壓，在電流流過器件時，通態損耗使器件結溫升高；沒有電流流過器件時，散熱器工作使結溫降低，從而實現了器件結溫在試驗中的周期性波動。因此器件通態損耗是試驗中損耗的唯一來源。

器件通態損耗可以通過擬合集射極電壓Vce和電流IC的關系得到，如式(1)所示。

VCE(Tj)=RT(Tj)×IC+VCEO

(1)

式中：VCE為器件導通壓降；RT為器件等效通態電阻；VCEO為擎住電壓，VCEO和VCE均為結溫Tj的函數。該函數關系可由器件的數據手冊得到[14]。則器件通態損耗PTcon可表示為：

PTcon=VCEIC=(RTIC+VCEO)·IC=f(IC,RT(Tj),VCEO(Tj))

(2)

4 基于等效電導率的芯片載荷設置

載荷是有限元仿真的重要輸入條件，對于壓接型IGBT模塊，其芯片發熱功率的設置對于仿真結果的準確性有很大影響[15]。本文通過芯片等效電導率的方法，對載荷進行設置。

壓接型IGBT運行時，由于幾何分布的不對稱性，各個芯片之間存在熱耦合，不同芯片之間的溫度分布有所差異。在高溫芯片處，導通壓降VCE增大，由于內部各芯片為并聯關系，高溫芯片處電流密度將小于其余芯片。由于芯片發熱功率主要由流過電流決定，并且受溫度影響，因此，模塊內芯片發熱功率并不相同。此外，芯片發熱功率的差異將進一步影響模塊內溫度分布，兩者存在耦合關系。

本文將壓接型IGBT模塊在功率循環中的發熱過程簡化為芯片焦耳熱過程[16]。則式(2)可以表示為式(3)的形式。

(3)

式中Re為表征芯片發熱的等效電阻，該等效電阻并不代表IGBT芯片的實際電阻，而是用于表征IGBT芯片發熱情況的等效參量。則Re可由式(4)計算。

(4)

當電流IC恒定時，通態損耗PTcon為結溫Tj的單值函數。

另外引入了芯片等效電導率的概念，即設置芯片材料電導率與溫度相關以反映芯片發熱功率隨溫度分布變化的特性。

根據電阻的計算式，芯片的等效電阻Re可表示為：

(5)

式中：L為芯片厚度；S為模塊內部所有芯片總面積，分別為0.12 mm和4 234.44 mm2。綜合式(4)—(5)可以得到和溫度直接相關的芯片電導率的計算公式如式(6)所示。

(6)

式中T為溫度。

5 半直接電熱耦合仿真

本文建立的壓接型IGBT導熱模型傳熱學偏微分方程[17]如式(7)所示。

(7)

式中：λ為材料熱傳導系數；H為發熱功率；ρ為芯片材料密度；c為熱容。由于發熱功率H為受溫度的影響由電流產生的焦耳熱。因此，該偏微分方程為非線性偏微分方程。由于非線性偏微分方程無法求出顯式解，需要通過迭代的方法進行近似求解，需要較大的運算量[18 - 19]。另外，對于功率循環的仿真為瞬態仿真，需要在每一個載荷步里進行迭代。這將造成運算量的成倍增加，且容易出現迭代不收斂的情況。

針對這一問題，本文提出了半直接電熱耦合仿真方法，仿真原理圖以及流程圖如圖3—4所示，具體闡述如下。

圖3 半直接電熱耦合原理圖Tab.3 Schematic diagram of semi-direct electrothermal coupling

圖4 仿真流程圖Fig.4 Flowchart of the simulation

首先根據器件數據手冊在ANSYS Simplorer中建立其物理模型；然后搭建功率循環仿真電路，設置激勵為理想電流源，電流為幅值2 000 A的方波，占空比為0.5，周期20 s，IGBT運行期間保持導通狀態。即對IGBT施加周期為20 s的循環功率，其中10 s通過電流10 s不通過電流，同時記錄單周期內IGBT模塊平均損耗和導通時瞬時損耗，在結溫25～200 ℃區間內進行參數化掃描，分別擬合得到平均功率和瞬時功率隨結溫變化的函數關系；隨后根據平均功率與結溫的關系設置芯片電導率，進行穩態電熱直接耦合熱仿真，得到功率循環下模塊內部平均溫度分布；最后以穩態電熱耦合仿真結果作為溫度邊界條件，根據導通時瞬時功率與結溫的關系進行瞬態電熱間接耦合仿真，得到功率循環中壓接型IGBT內部結溫分布及變化情況。該仿真方法不同于直接瞬態電熱耦合仿真，通過將穩態溫度分布結果作為瞬態溫度仿真的邊界條件，在單個載荷步中進行迭代運算，較大程度上節省了運算量。同時，該仿真方法也不同于間接瞬態耦合仿真，仿真中考慮了功率循環過程中的平均溫度對于材料非線性的影響，較大程度地提高了仿真精度。

6 仿真結果與分析

6.1 芯片損耗計算

本文利用ANSYS simplorer模塊中器件的物理模型功能，輸入IGBT數據手冊中不同結溫下集射極電壓Vce和電流IC的關系，設置電流IC為2 000 A恒定再對結溫進行參數掃描，記錄不同結溫下的通態損耗，便可得到損耗隨結溫Tj的變化關系。

在ANSYS simplorer中搭建功率循環電路模型如圖5所示。

圖5 功率循環電路模型Fig.5 Power cycle circuit model

圖5中主要包含所選器件物理模型，理想電流源，門極驅動以及驅動信號。其中驅動電路為器件門極提供+15 V開通信號，使器件保持開通。

設置IGBT結溫Tj為變量，對其周期平均損耗和導通時瞬時損耗進行參數化掃描，并對結果進行線性擬合，如圖6所示，分別得到平均損耗Pav以及導通時瞬時損耗Pon與結溫關系式分別如式(8)—(9)所示。

Pav=-4.784 8Tj+2 988.2

(8)

Pon=-11.135Tj+6 165.3

(9)

圖6 損耗與結溫關系式擬合示意圖Fig.6 Sketch diagram of the relationship formula fitting between the loss and junction temperature

6.2 基于等效電導率的電熱耦合穩態溫度場仿真

將式(8)得到的芯片平均損耗與結溫的關系代入式(6)得到芯片材料等效電導率，如式(10)所示。

σ(Tj)=-4.221×10-5×Tj+0.026

(10)

模型材料的電熱屬性如表1所示。

表1 模型材料電熱屬性表Tab.1 Electrothermal properties table of the model material

設置載荷為電流2 000 A從集電極流入，發射極流出。散熱條件為集電極、發射極雙面散熱，設置集電極、發射極外表面換熱系數為1 500 W/(m2×K)，其余部分絕熱。得到功率循環過程中穩態下壓接型IGBT模塊平均溫度分布云圖，如圖7所示。

圖7 穩態熱仿真結果示意圖Fig.7 Sketch diagram of steady state thermal simulation results

從圖7(a)可以看出，模塊整體溫度處在132～168.33 ℃之間，芯片處溫度遠高于模塊其余部分。由圖7(b)可得，芯片層最高溫度為168.33 ℃，最低溫度147.44 ℃，中心芯片溫度高于周圍芯片，由于幾何分布造成的溫度耦合，中間芯片的四周溫度較高。

6.3 基于半直接電熱耦合的瞬態溫度仿真

以6.2節所求得功率循環過程中穩態下平均溫度場作為溫度條件進行瞬態電熱偶合仿真。將式(9)求得的瞬態功率隨結溫關系代入式(6)，求得2 000 A電流下芯片等效電導率如式(11)所示。

σ(Tj)=-7.794×10-5×Tj+0.054

(11)

材料電熱屬性和邊界條件與第6.2節中相同。載荷電流大小為2 000 A，從集電極流入發射極流出，。仿真時間為500 s，以保證系統達到熱穩態，載荷步長時間為1 s。得到系統最高溫度與最低溫度隨時間變化曲線如圖8。

圖8 瞬態熱仿真結果示意圖Fig.8 Sketch diagram of transient state thermal simulation results

可以看出，整個系統溫度在200 s以后達到穩定，最高溫度波動為95.29 ℃，最低溫度波動為53.914 ℃。由第5節中理論分析結果可知，瞬態仿真穩定后的結果應在穩態仿真結果附近波動，因此，為論證半直接耦合結果的可靠性，以中心芯片中心點為例，將其瞬態溫度與穩態溫度繪制于同一張圖中，如圖9所示。

圖9 中心芯片溫度仿真結果Tab.9 Simulation results of the center chip temperature

中心芯片中心點處穩態仿真結果為163.4 ℃，瞬態仿真在穩態時溫度波動范圍為110.95～203.19 ℃。可以看到瞬態仿真結果在穩態仿真結果附近波動，充分證明了采用穩態仿真得到的溫度場結果作為瞬態仿真的溫度邊界條件可以準確反映電熱耦合過程。

7 結語

本文研究了一種基于半直接耦合的壓接型IGBT模塊功率循環過程中的電熱特性仿真方法。對功率循環過程中模塊內部溫度變化過程進行了仿真，得到了模塊內部溫度分布以及隨時間變化的情況。該方法將壓接型IGBT模塊功率循環過程仿真進行了簡化，解決了模型強非線性的問題，有效避免了仿真過程中迭代步數過多以及仿真不收斂的問題。此外，本方法考慮了芯片發熱隨溫度變化的特性，極大地提高了仿真精度。對于大功率電力電子器件可靠性研究和壽命預測起到了一定的理論指導作用。