一種IGBT傳熱模型參數(shù)等效計(jì)算方法*

劉賓禮 羅毅飛 汪 波 孟慶云 朱俊杰

(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430033)

一種IGBT傳熱模型參數(shù)等效計(jì)算方法*

劉賓禮 羅毅飛 汪 波 孟慶云 朱俊杰

(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430033)

以電力電子裝置應(yīng)用領(lǐng)域?qū)GBT模塊傳熱特性及其散熱設(shè)計(jì)的需求為牽引，基于Foster與Cauer熱網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)屬性與相互轉(zhuǎn)換方法，建立了一種IGBT傳熱模型參數(shù)等效計(jì)算方法并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)其傳熱特性進(jìn)行了研究，得出封裝各層溫度運(yùn)行規(guī)律及其各層之間的相互作用關(guān)系；建立了一種IGBT散熱器傳熱模型參數(shù)設(shè)計(jì)方法并查明了最高結(jié)溫、波動(dòng)范圍隨散熱器熱容的變化規(guī)律.

熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；等效計(jì)算；結(jié)溫運(yùn)行規(guī)律；散熱設(shè)計(jì)

0 引 言

IGBT器件產(chǎn)生的功耗以熱量的形式通過(guò)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(guò)程的作用機(jī)制，建立封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)等效計(jì)算方法與散熱器設(shè)計(jì)方法，對(duì)于指導(dǎo)制造者改進(jìn)器件的散熱性能，指導(dǎo)使用者合理設(shè)計(jì)散熱裝置、

開(kāi)展結(jié)溫預(yù)測(cè)和設(shè)定運(yùn)行條件[1-7]，具有重大的理論意義和應(yīng)用價(jià)值.

商業(yè)IGBT模塊附帶的數(shù)據(jù)手冊(cè)中包含F(xiàn)oster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)，是通過(guò)出廠前測(cè)試模塊的瞬態(tài)熱阻抗曲線得出的，采用該結(jié)構(gòu)參數(shù)可以對(duì)IGBT模塊的結(jié)溫運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行仿真，但其不具有實(shí)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(dǎo)用戶開(kāi)展熱特性與熱設(shè)計(jì)研究.而Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與IGBT模塊實(shí)際封裝各層存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)該結(jié)構(gòu)可以對(duì)IGBT模塊封裝各層溫度運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行研究，可以有效指導(dǎo)模塊與散熱器開(kāi)展熱設(shè)計(jì)研究.因此，文中通過(guò)研究Foster與Cauer熱網(wǎng)絡(luò)本身的結(jié)構(gòu)屬性及其相互轉(zhuǎn)換方法，建立了一種IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)傳熱模型參數(shù)等效計(jì)算與散熱器傳熱模型參數(shù)設(shè)計(jì)方法.并對(duì)IGBT結(jié)溫與封裝各層溫度運(yùn)行規(guī)律、散熱器傳熱模型參數(shù)與結(jié)溫之間的規(guī)律進(jìn)行了研究.

1 IGBT傳熱模型參數(shù)等效計(jì)算方法

1.1 IGBT傳熱模型結(jié)構(gòu)研究

Foster與Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.由Foster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方法如下.

圖1 IGBT模塊熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Foster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熱阻抗，見(jiàn)式(1).

(1)

對(duì)式(1)進(jìn)行通分求和，得式(2).

(2)

則Z(s)導(dǎo)納，見(jiàn)式(3).

(3)

當(dāng)s→∞時(shí)，

(4)

通過(guò)式(4)即可得出Foster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，第一層的熱容，見(jiàn)式(5)[8-9].

(5)

(6)

則Y*(s)阻抗，見(jiàn)式(7).

(7)

進(jìn)而，當(dāng)s→∞時(shí)，

(8)

通過(guò)式(8)即可得出Foster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，第一層的熱阻，見(jiàn)式(9).

(9)

(10)

以2階RC熱網(wǎng)絡(luò)模型為例，采用功率幅值500 W，周期10 ms，占空比0.5，仿真時(shí)長(zhǎng)200 ms，對(duì)圖2a)Foster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)按照上述方法等效變換為Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖2b))的正確性與準(zhǔn)確性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果與誤差分析，見(jiàn)圖3.

圖2 熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等效變換

圖3為Foster與Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等效變換前后仿真結(jié)果與誤差分析，由圖3可知，F(xiàn)oster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果與等效變換之后的Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果吻合良好，在結(jié)溫波動(dòng)上升初期，存在微小誤差，可以忽略不計(jì).因此，驗(yàn)證了Foster與Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等效變換方法的正確性與準(zhǔn)確性.

圖3 Foster與Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等效變換前后 仿真結(jié)果與誤差分析

1.2 IGBT封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)等效計(jì)算研究

對(duì)IGBT模塊數(shù)據(jù)手冊(cè)或?qū)嶒?yàn)測(cè)試得到的瞬態(tài)熱阻抗曲線進(jìn)行擬合，即可得到其Foster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù).進(jìn)而，采用1.1中Foster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jié)溫運(yùn)行規(guī)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(dāng)芯片結(jié)溫達(dá)到恒定后，切斷電流源，此時(shí)接通熱敏電參數(shù)測(cè)試結(jié)溫用小電流源，實(shí)時(shí)對(duì)芯片結(jié)溫進(jìn)行測(cè)試，所得結(jié)溫測(cè)試結(jié)果用于熱阻抗計(jì)算[10-11].IGBT模塊瞬態(tài)熱阻抗理論表達(dá)式，見(jiàn)式(11).

(11)

式中，IGBT芯片結(jié)溫Tj通過(guò)熱敏電參數(shù)法獲取.即在小電流條件下，IGBT芯片結(jié)溫與集射極飽和壓降VCE呈線性變化規(guī)律.實(shí)驗(yàn)用某型600 V/50 A IGBT模塊熱敏電參數(shù)法標(biāo)定曲線，見(jiàn)圖4a)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的定標(biāo)曲線即可得到結(jié)溫隨飽和壓降的線性變化規(guī)律，見(jiàn)式(12).IGBT模塊殼溫TC通過(guò)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(dǎo)通電流IC的積分.

圖4 熱敏電參數(shù)法標(biāo)定曲線與瞬態(tài)熱阻抗曲線

Tj=268.7-446.9·VCE

(12)

依據(jù)式(11)，采用熱敏電參數(shù)法與相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法，即可得到該型IGBT模塊的瞬態(tài)熱阻抗曲線，見(jiàn)圖4b).進(jìn)而，以Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型的瞬態(tài)熱阻抗表達(dá)式(13)為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行曲線擬合，得到Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型中的熱阻和熱容參數(shù)，見(jiàn)表1.

(13)

采用1.1 Foster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)向Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換方法，將該型IGBT模塊Foster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)表1)轉(zhuǎn)化為Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)表2.該模型結(jié)構(gòu)可對(duì)IGBT實(shí)際封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征.

表1 Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)

表2 Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)

該型600 V/50 A IGBT模塊為課題組長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)象，其封裝結(jié)構(gòu)及其參數(shù)，已通過(guò)協(xié)調(diào)廠家獲取，因此，采用已知結(jié)構(gòu)與參數(shù)對(duì)本文的參數(shù)等效計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證.其封裝為7層結(jié)構(gòu)，由于其中幾層時(shí)間常數(shù)與相鄰層相比，非常小，可以忽略不計(jì).因此，這些層熱容支路視為開(kāi)路狀態(tài)，而熱阻與相鄰層合并.采用這種方法進(jìn)行簡(jiǎn)化之后的Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型為3層結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖5.

圖5 某型600 V/50 A IGBT模塊Cauer熱網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)、參數(shù)與簡(jiǎn)化過(guò)程

圖5中A為該模塊完整7層Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與參數(shù)，這些參數(shù)通過(guò)物理測(cè)量與材料物理屬性獲取，過(guò)程復(fù)雜，適用于理論與實(shí)驗(yàn)研究階段.B和C分別為7層模型簡(jiǎn)化之后的熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與參數(shù).通過(guò)對(duì)比表2與圖5中C模型參數(shù)可以看出，采用Foster熱網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為Cauer熱網(wǎng)絡(luò)之后的參數(shù)與IGBT模塊實(shí)際物理層參數(shù)吻合較好，驗(yàn)證了該方法的正確性與準(zhǔn)確性.

1.3 IGBT傳熱模型仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)該型IGBT模塊，采用Foster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之后的模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)，如表2與圖5中C模型參數(shù)所示.采用紅外熱像儀測(cè)溫法，對(duì)轉(zhuǎn)化之后模型的正確性與準(zhǔn)確性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.進(jìn)而，基于Saber仿真平臺(tái)，對(duì)其傳熱特性進(jìn)行了仿真研究.

采用恒定可調(diào)節(jié)電流源作為打開(kāi)封裝的IGBT模塊的輸入，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)飽和壓降和電流進(jìn)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(duì)IGBT芯片溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試.IGBT器件Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿真與實(shí)驗(yàn)電路見(jiàn)圖6.

圖6 仿真與實(shí)驗(yàn)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(nèi)的功耗，即IGBT器件殼溫為室溫25 ℃.由于Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算結(jié)果為芯片結(jié)溫的平均值，因此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)取A，B，C3點(diǎn)的溫度取平均值.紅外熱像儀測(cè)溫，見(jiàn)圖7a)，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)圖7b).

圖7 紅外熱像儀測(cè)溫與仿真結(jié)果對(duì)比

由圖7b)可知，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了由Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型轉(zhuǎn)化為Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型的正確性.進(jìn)而，基于該型IGBT器件驗(yàn)證后的模型，以其典型工況下的功率損耗與頻率作為熱網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，見(jiàn)表3，對(duì)IGBT芯片結(jié)溫及封裝各層溫度運(yùn)行規(guī)律與作用關(guān)系進(jìn)行了仿真研究.

表3 典型工況參數(shù)

該型IGBT器件各層在上述仿真條件下結(jié)溫運(yùn)行規(guī)律，見(jiàn)圖8.

由圖8可知，該模型可對(duì)IGBT器件各實(shí)際物理層溫度進(jìn)行仿真.芯片層、DBC層、基板層溫度依次逐漸降低，溫度波動(dòng)范圍逐漸減小，即所承受的熱應(yīng)力逐漸減小.因此，該模型計(jì)算結(jié)果可為IGBT器件各層材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、封裝各層失效分析提供依據(jù).

圖8 IGBT芯片、DBC、基板等效層溫度運(yùn)行規(guī)律

2 散熱器傳熱模型參數(shù)設(shè)計(jì)方法

電力電子裝置設(shè)計(jì)人員希望通過(guò)IGBT模塊廠家提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)和裝置的工況，以最快捷簡(jiǎn)便的方法完成IGBT器件的散熱器設(shè)計(jì).散熱器的熱阻、熱容、散熱方式?jīng)Q定了其散熱性能，因此，設(shè)計(jì)合理的散熱器即對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.以一種大功率電力電子電能變換裝置常用型號(hào)1 700 V/3 600 A IGBT模塊為例，對(duì)IGBT模塊散熱器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究.

IGBT器件數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)提供Foster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特征值，通過(guò)特征值即可計(jì)算出該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的熱阻和熱容，進(jìn)而，采用Foster與Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方法，將Foster網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該型1 700 V/3 600 V IGBT模塊的Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與散熱器參數(shù)，見(jiàn)圖9.數(shù)據(jù)手冊(cè)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(guò)改變散熱器熱容，即可實(shí)現(xiàn)需求工況下的散熱設(shè)計(jì).

圖9 熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與散熱器參數(shù)

采用Saber仿真平臺(tái)對(duì)該模塊不同散熱器設(shè)計(jì)下的結(jié)溫運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行了仿真研究.仿真針對(duì)某型電力電子裝置的典型工況開(kāi)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(jiàn)圖10.

圖10 IGBT單周期損耗功率

環(huán)境溫度50 ℃，散熱器熱容5 000 J/K，仿真時(shí)長(zhǎng)600 s時(shí)，單周期與多周期結(jié)溫運(yùn)行規(guī)律，見(jiàn)圖11.

圖11 IGBT模塊單周期與多周期結(jié)溫運(yùn)行規(guī)律

由圖11a)可知，在0～0.5 s內(nèi)，結(jié)溫依據(jù)損耗功率輸入規(guī)律呈逐級(jí)增大趨勢(shì)，最高溫度達(dá)79.7 ℃.在0.5～3 s內(nèi)，功率輸入為零，結(jié)溫從79.7 ℃呈指數(shù)規(guī)律下降.由圖11b)可知，在0～200 s仿真時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，結(jié)溫由初始溫度逐漸波動(dòng)上升直至穩(wěn)定.

在散熱器不同熱容設(shè)計(jì)、仿真時(shí)長(zhǎng)600 s情況下，IGBT模塊結(jié)溫運(yùn)行規(guī)律，見(jiàn)圖12與表4.

由表4可知，IGBT芯片最高結(jié)溫與波動(dòng)范圍隨散熱器熱容的增大逐漸減小.當(dāng)散熱器熱容為0.5，5，50 J/K時(shí)，IGBT芯片結(jié)溫?zé)o溫度累積效應(yīng).當(dāng)散熱器熱容為500，5 000 J/K時(shí)，IGBT芯片結(jié)溫有溫度累積效應(yīng)，且結(jié)溫達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間分別為30.5，222.5 s，即芯片結(jié)溫達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間隨熱容的增大而增大.依據(jù)上述方法、IGBT模塊運(yùn)行結(jié)溫要求與散熱器的散熱方式，可對(duì)散熱器進(jìn)行合理設(shè)計(jì).

表4 散熱器不同熱容設(shè)計(jì)結(jié)溫信息

3 結(jié) 束 語(yǔ)

電力電子裝置及組件熱設(shè)計(jì)是保證其完成指定功能與可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié).本文通過(guò)研究Foster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換方法，建立了一種IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)傳熱模型參數(shù)等效計(jì)算方法，并對(duì)其各層結(jié)溫運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行了研究.通過(guò)研究散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)與結(jié)溫之間的關(guān)系及規(guī)律，建立了一種散熱器傳熱模型參數(shù)設(shè)計(jì)方法.為實(shí)現(xiàn)散熱設(shè)計(jì)與可靠性分析奠定了基礎(chǔ).

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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51490681、51507185)、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)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(lǐng)域?yàn)镮GBT器件建模、健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)與可靠性研究