IGBT热仿真建模分析

IGBT功率管热仿真工作总结一、【问题描述】：大功率IGBT是我司产品中的常用器件，尤其是在功率模块中，例如风能功率模块，光伏逆变器等。在这些产品中，IGBT有一个共同特点：功率密度大，工作温度高。如果不能建立有效的散热途径，将热量散出，IGBT工作温度超过允许值，就会损毁。在产品设计的初始阶段，如何利用仿真手段准确评估IGBT的结温，建立有效的散热途径就成为热设计工程师急需解决的问题。二、【原因分析】：图1IGBT内部结构图图2IGBT内部芯片焊接结构简图IGBT内部结构如图1所示，发热器件由多组芯片组成，每一组芯片由一个IGBT芯片和一个Diode（二极管）芯片组成（视具体情况而定，有些IGBT中，一组芯片中IGBT芯片数和Diode芯片数不同）。图1中绿色方框中的为IGBT芯片，黄色方框中的为Diode芯片。如图2所示，IGBT芯片和Diode芯片正上方是一层厚度约5mm，导热系数为Diode芯片IGBT芯片硅凝胶DBC0.15W/m.K的透明硅凝胶；芯片直接焊接在DBC层上，DBC层再焊接在铜基板表面。DBC层由0.38mm厚氧化铝陶瓷片上下紧密贴附0.3mm厚铜皮组成（DBC的具体结构和制造厂家有关，另外相同厂家不同型号的产品具体结构也不相同，本文只介绍一种典型的结构）。由于芯片上部的硅凝胶导热系数很小，芯片产生的热量主要通过下方的铜基板传到散热器上。芯片和散热器之间的热阻分布如图3所示，归纳起来可分为两部分：①结壳热阻（芯片到铜基板的热阻）；②壳到散热器的热阻（铜基板和散热器之间的热阻）。图3IGBT热阻网络图IGBT的最高使用温度和热阻数据可以从厂家提供的器件资料中查到。通常产品中使用的IGBT管子（一个桥臂）实际是将两个IGBT封装在一起，如图4所示。厂家给定的热阻值可能是其中一个IGBT的值，也可能是整个IGBT管子（一个桥臂）的热阻，根据具体资料确定。以英飞凌FF1000R17IE4为例，FF1000R17IE4管子内部共有12组芯片（一组芯片包含一个IGBT芯片和一个Diode芯片；一个IGBT有6组芯片）。表一、表二中所列热阻为一个桥臂中一个IGBT的热阻，其中第一行分别为一个IGBT中所有IGBT或Diode芯片到铜基板的总热阻(Rjc)，第二行为所有IGBT或Diode芯片对应的铜基板到散热器的总热阻(Rch)；表三中热阻值为一个桥臂铜基板到散热器的热阻(实际等效于R1ch到R12ch的共同作用结果)。图4英飞凌FF1000R17IE4内部芯片布局（一个桥臂）表一表二表三一个IGBT一个IGBT热流方向热阻的计算遵循电阻的计算原则。沿着热流方向，并联热阻倒数之和等于总热阻的倒数；串联热阻之和等于总热阻。从图3可以看出，各芯片到铜基板的热阻是一种并联关系，单个芯片的结壳热阻（Rijc）和壳到散热器的热阻（Rich）是串联关系。三、【解决方法】：1.热仿真建模对于IGBT的Flotherm热仿真建模有两种方法：①实体建模；②热阻法建模。①实体建模：实体建模是根据IGBT的结构尺寸分别建立铜基板、导热绝缘层、芯片、表面封装，力求做到真实。由于IGBT内部结构复杂，导热绝缘层分层较多，且每一层尺寸较小，材料属性各异，如图2所示。如果完全按照实物建模，会大大增加计算的工作量，所以在实际建模时，忽略焊接层，将氧化铝陶瓷及其两面所敷的铜这三层简化为一个DBC实体，并根据经验给一个导热系数值。铜基板按实际尺寸建模，在铜基板外侧贴附面热阻，热阻值根据表三数据换算即可。DBC层贴附铜基板内侧。芯片以等面积的面热源代替，贴在DBC上，热源方向指向铜基板。封装以IGBT封装外轮廓为尺寸建模。图5IGBT的Flotherm热仿真模型②热阻法模型：在实体建模方法基础上，用等面积的铜片代替芯片，芯片厚度为0.3mm（不能压缩），给芯片贴附相应的结壳热阻（附在和DBC接触的一侧），同时将铜基板和ＤＢＣ的材料属性设为各向异性，其中沿热流方向设为5000W/m.K，其余两个方向保持材料原来的属性（厂家给出的热阻数据已经包含了DBC和焊接层的热阻）。以英飞凌FF1000R17IE4为例，IGBT采用液冷的散热形式。IGBT总损耗为1589.7W，单个IGBT芯片损耗为99.05W，单个Diode芯片损耗为33.425W。图6为两种不同的建模方法仿真结果对比，从结果可以看出，利用两种建模方法仿真得到的散热器和IGBT铜基板温度比较接近，利用热阻法建模得到的芯片温度比实体建模高。两种建模方法得到的结与铜基板间的温差如表四，热阻法建模计算结果更接近实际温度场。表四单位：℃理论推算实体建模计算结果热阻法建模计算结果IGBT芯片结到铜基板温差2014.521.5Diode芯片结到铜基板温差1510.614.7（注IGBT理论温差推算具体见表五）图6IGBT散热器温度云图（左为热阻法模型，右为实体模型）2.热阻的换算关系利用热阻法建立仿真模型时，给芯片和铜基板贴附准确的热阻值对仿真结果有至关重要的影响。热阻值可以从器件资料查到，由于IGBT芯片和Diode芯片面积不同，对应的热阻值也不相同。以英飞凌FF1000R17IE4为例，热阻值如表一、表二和表三。由于Flotherm中输入的热阻值是面积热阻，需要将器件资料中的热阻值换算成单个芯片的面积热阻。IGBT芯片面积热阻：单个IGBT芯片面积为13.5mm×13.5mm，一个桥臂中一个IGBT里面所有IGBT芯片(共6个)到铜基板的热阻为24K/kw。一个IGBT芯片的面积热阻RsJC-IGBT=13.5×13.5×6×24K·mm2/kw=2.6244×10-5K·m2/w。Diode芯片面积热阻：单个Diode芯片面积为9.3mm×9.3mm，一个桥臂中一个IGBT里面所有Diode芯片(共6个)到铜基板的热阻为48K/kw。一个Diode芯片的面积热阻RsJC-Dio=9.3×9.3×6×48K·mm2/kw=2.4909×10-5K·m2/w。铜基板面积热阻：铜基板面积为247mm×85mm，铜基板到散热器的热阻为3K/kw。铜基板到散热器的面积热阻RsCH=247×85×3K·mm2/kw=6.2985×10-5K·m2/w。3.结温推算方法：根据实际使用经验，利用实体建模方法仿真得到的结果中，IGBT下方的散热器温度和实际测量数据吻合较好，其余部分仿真温度偏差较大。在之前的仿真工作中，首先利用实体建模仿真的方法得到散热器的温度，再利用热阻数据和损耗数据反推芯片结温，以此判断IGBT是否工作在允许的温度范围内。以下表中IGBT损耗数据为例，推算散热器最高允许工作温度。表五器件名称热损耗(W)Rjc(℃/W)RcH(℃/W)Tjmax(℃)Tjd-max(℃)Tsd-max(℃)IGBT（额定）99.05（IGBT芯片）0.0240.00317512010033.425（DIO芯0.0480.003175120105片）Tsd-max-IGBT=Tjd-max–PIGBT*Rjc-Pall*RcH=120-99.05×6×0.024-1589.7×0.003=100Tsd-max-Dio=Tjd-max–PDIO*Rjc-Pall*RcH=120-33.425×6×0.048-1589.7×0.003=105Tjmax(℃)——芯片最高允许工作温度；Tjd-max(℃)——芯片降额后最高允许工作温度；Tsd-max(℃)——降额后散热器最高允许工作温度。四、【总结】：1.对比IGBT的两种建模方法，热阻法建模可以忽略IGBT内部复杂的结构，简化了仿真模型，并且仿真结果更接近真实的温度场，建议在以后的IGBT仿真中，使用热阻法建模。2.利用热阻法建模时，铜基板和ＤＢＣ的材料属性设为各向异性，其中沿热流方向设为5000W/m.K，其余两个方向保持材料原来的属性（铜的导热系数为385W/m.K，DBC材料的导热系数可设为22W/m.K）。