IGBT三相逆變混合模塊的散熱裝置分析

李新源，徐鰲，劉巖，胡娟★，鄭成林，潘躍飛，戴勁

(1.黃山學院信息工程學院，安徽 黃山 245041；2.黃山學院先進封裝技術研究中心，安徽 黃山 245041；3.黃山市七七七電子有限公司，安徽 黃山 245600）

0 引言

隨著電子元器件向大功率、多功能、小型化方向的持續發展和電子元器件功率、集成度的不斷提高,導致器件有源區產生過高的工作溫升,嚴重影響器件特性及其長期可靠性。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)結合了金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)和雙極結型晶體管(BJT)的優點，具有開關速度快、輸入阻抗高、通態壓降低以及電壓驅動等優點，已成為電力電子裝置的核心器件，是電力裝備的CPU[1-2]。采用IGBT模塊進行功率轉換，能夠提高用電效率和質量，具有高效節能和綠色環保的特點。由于IGBT承擔功率變化,所以電流變大會影響IGBT可靠性[3]。三相逆變器是應用非常廣泛的一類電力電子設備，作為大功率逆變電源，用于軍隊、通信、工廠和企業的不間斷電源系統、分布式系統和微電網系統中[4]。

混合模塊是將Si基IGBT和SiC基肖特基勢壘二極管(SBD)進行混合并聯，利用SiC SBD代替Si FRD，作為Si IGBT的續流二極管。SiC SBD的應用可顯著降低IGBT開通及二極管反向恢復損耗，有利于實現模塊高效化、小型化及輕量化[5-6]。由于SiC SBD的反向恢復損耗很小，相對于全Si功率模塊，混合模塊可以減少20%～40%的開關損耗。雖然成本有所提高，但是相比于全SiC器件，混合模塊是性價比相對較高的選擇。

作為大功率變換器的關鍵部件，IGBT模塊趨向高功率、高集成度發展，模塊也因其高頻傳導和開合而不斷集中產生大量的熱，使其溫度快速升高，影響器件的性能[7]，散熱不及時會造成模塊過熱失效，需要通過外部散熱裝置來輔助散熱[8-9]。本文在IGBT三相逆變混合功率模塊外安裝風冷散熱器，分別針對翅片或翅柱兩種不同結構的散熱器進行模擬仿真，得出模塊的溫度分布，通過對散熱器參數的調節獲得在普適性情況下的最優散熱裝置規格。

1 IGBT混合模塊的封裝結構

本文討論的是Si IGBT和SiC SBD組成的三相逆變混合功率模塊。模塊由六個單元組成，每個單元都是由一個Si IGBT芯片和一個SiC SBD芯片組成。圖1(a)為三相逆變功率模塊的電路原理圖，每兩個功率單元串聯輸出一相，共U、V、W三相。模塊內部的封裝結構自上而下分別是芯片、焊料層和DBC襯板，如圖1(b)所示，外部通過熱界面材料連接到散熱裝置上。利用有限元分析軟件構建IGBT混合模塊的物理模型，如圖2所示，并為各層附上相應的材料，結構尺寸參數見表1。

圖1 IGBT 三相逆變混合模塊

圖2 IGBT 混合模塊仿真模型圖

2 IGBT混合模塊的熱仿真研究

通常情況下，IGBT 功率器件的向下散熱傳遞路徑可描述為：當IGBT 功率器件通電時，在電壓和電流的作用下，IGBT 芯片由于存在通態損耗和開關損耗而產生大量的熱。散熱路徑由上到下依次為：芯片→焊料層→覆銅陶瓷板→焊料層→基板→導熱硅脂→散熱器，最終由散熱器與空氣對流，將熱量帶走。在進行仿真計算時，將IGBT和SBD芯片均設為體熱源，對IGBT芯片加載110 W的功率，對SBD芯片加載35 W的功率，熱通量設為常溫常壓下的外部強制對流，空氣流速設置為5 m/s，仿真結果如圖3所示。此時最高溫度出現在中間位置的IGBT芯片上。

2.1 翅柱式散熱器參數變化對模塊熱可靠性的影響

2.1.1 長方體釘柱散熱器

翅柱式散熱器模型按釘柱規格不同可選擇長方體釘柱和梯形釘柱兩種。長方體釘柱規格設置為2mm×2mm×翅柱高度，如圖4所示，此時X方向翅柱數為15，Y方向翅柱數為10，翅柱高度為30mm。在小范圍內分別依次增加X方向翅柱數、Y方向翅柱數以及翅柱高度，其中X方向翅柱數在10-20范圍內以2為跨度進行仿真，Y方向翅柱數在8-16范圍內以2為跨度進行仿真，翅片高度在30-40mm范圍內以5mm的跨度進行仿真。得到模塊的結溫變化情況如圖5所示。

表1 IGBT 混合模塊的幾何尺寸參數

圖3 IGBT 混合模塊的溫度分布圖

圖4 長方體釘柱散熱器仿真溫度分布圖

圖5 長方體釘柱散熱器不同尺寸參數對結溫的影響

在翅柱高度不變時，分別增加X方向和Y方向翅柱的數量，可以看出模型中的結溫明顯下降。取翅柱高度30mm時的數據觀察，在相同Y方向翅柱數量時，隨著X方向翅柱數量的增多，模型中結溫開始時下降較為迅速，到一定程度后下降曲線趨于平緩，再增加翅柱數量散熱效果并不明顯。

當增加翅柱高度時，固定X、Y方向翅柱數，此時模型的結溫隨之下降。如當X=15、Y=10時，翅柱高度為30mm、35mm、40mm時結溫分別為138℃、128℃和121℃。

2.1.2 梯形釘柱散熱器

為了比較梯形釘柱散熱器效果是否優于上述散熱裝置，我們對一個梯形釘柱散熱器建模并仿真，梯形釘柱尺寸設置為3mm×2mm×翅柱高度，溫度分布如圖6所示。分別增加X方向和Y方向翅柱的數量，增加跨度和范圍與長方體釘柱相同，得到結溫變化情況如圖7所示。在翅柱高度不變時，分別增加X方向和Y方向翅柱的數量，可以看出模型中的結溫明顯下降。當X=15、Y=10時，翅柱高度為30mm、35mm、40mm時結溫分別為119℃、111℃和104℃。相較于長方體釘柱型翅柱，同等翅柱數量和高度下，梯形釘柱散熱效果明顯優于長方體釘柱，這是因為梯形釘柱的間距更有利于帶走熱量。

圖6 梯形釘柱散熱器仿真溫度分布圖

圖7 梯形釘柱散熱器不同尺寸參數對結溫的影響

2.2 翅片散熱器參數變化對模塊熱可靠性的影響

為了比較翅片散熱器和翅柱散熱器的效果，設計梯形翅片散熱器，規格和翅柱散熱器一致，尺寸設置為3mm×2mm×翅片高度。梯形翅片散熱器溫度分布如圖8所示。在翅片高度不變時，增加翅片數量，可以看出模型中的結溫明顯下降。當翅片數量為15，翅片高度為30mm、35mm、40mm時結溫分別為114℃、105℃和98.5℃。

圖8 梯形翅片散熱器仿真溫度分布圖

綜上我們一共研究了三種散熱器對模塊熱可靠性的影響，為了便于比較在同樣規格條件下，哪種結構對IGBT三相逆變模塊的散熱效果更好，固定散熱器翅柱/翅片高度為30mm，列出表格如表2。由表可看出在同等條件下，翅柱散熱器中散熱效果更好的是梯形釘柱散熱器，梯形翅片散熱器可以得到與后者相近的效果，由于翅片散熱器比梯形翅柱散熱器更易制作，加工工藝更為簡約，所以在該模塊中采用梯形翅片散熱器是最優選擇。

表2 不同結構散熱器的散熱對比

3 結語

在“低碳”經濟理念的推動下，碳化硅功率器件應用前景廣大。IGBT功率半導體模塊加載功率后勢必會受到結溫升高產生的影響，熱量的累積會嚴重影響器件的安全性、可靠性以及工作性能。文中對比分析了翅柱和翅片散熱器在IGBT三相逆變混合模塊熱管理方面的影響，得出梯形翅片散熱器是該模塊的最佳選擇。