IGCT驅(qū)動(dòng)電路散熱分析與研究

宋 陽(yáng)，于 磊

(1.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065; 2.西安理工大學(xué) 自動(dòng)與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

引 言

大功率半導(dǎo)體器件是電力電子行業(yè)的核心器件之一，廣泛應(yīng)用于電力、交通、能源等領(lǐng)域，具有良好的市場(chǎng)前景。集成門(mén)極換流晶閘管(IGCT)是在門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型大功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件[1]，它具有大功率、低損耗、開(kāi)關(guān)速度高、結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。IGCT是通過(guò)印刷電路板將門(mén)極換流晶閘管(GCT)與其門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路連接在一起，作為承載體的PCB直接影響到IGCT能否可靠、穩(wěn)定的工作。大功率器件的溫度控制一直是研究重點(diǎn)，其溫度和失效性成正比，當(dāng)工作溫度超過(guò)最高結(jié)溫(125 ℃)時(shí)，器件的性能會(huì)顯著下降，甚至失效[2]。在GCT 管的工作過(guò)程中，熱量會(huì)通過(guò)空氣以及PCB中的銅層傳遞到驅(qū)動(dòng)電路部分，影響驅(qū)動(dòng)電路的元器件的工作甚至導(dǎo)致其失效，電子元器件和PCB上組件的外部引腳產(chǎn)生熱應(yīng)力，應(yīng)力集中的區(qū)域會(huì)因?yàn)槠诙鴶嗔?，致使器件失效。熱?yīng)力還會(huì)使PCB翹起變形，導(dǎo)致虛焊或者脫焊等情況發(fā)生。因此利用仿真軟件對(duì)產(chǎn)品的散熱進(jìn)行設(shè)計(jì)非常重要。PCB熱分析在國(guó)內(nèi)外都有諸多研究者進(jìn)行研究，在PCB溫度預(yù)測(cè)方面，Musznicki P等人提出了PCB組件溫度的半解析法，這種方法可以有效預(yù)測(cè)多熱源PCB穩(wěn)態(tài)情況下的最終溫度[3]。文獻(xiàn)提出了模擬印刷電路板的溫度場(chǎng)分布的方法，并分析證明了導(dǎo)熱層的銅層越厚，器件的工作溫度越低[4]。本文針對(duì)4500V/1100A IGCT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)出一套完整的PCB版圖，利用Flotherm軟件對(duì)PCB進(jìn)行熱分析，建立散熱模型，完成IGCT整體熱仿真，提出了外加強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器的設(shè)計(jì)方案，對(duì)整個(gè)IGCT進(jìn)行了熱分析，保證GCT芯片的可靠工作。

1 熱仿真軟件

功率器件封裝發(fā)展方向是高集成度、低損耗、微型化等，功率密度越來(lái)越高[5]。如果器件的熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，會(huì)導(dǎo)致器件的結(jié)溫度急劇升高，危及功率器件的可靠性。功率器件會(huì)面臨復(fù)雜、惡劣的工作環(huán)境，這都需要利用熱分析進(jìn)行預(yù)測(cè)并提出方案，改善器件與PCB的散熱途徑，使器件的熱量能有效地通過(guò)PCB散發(fā)出去，從而減小器件的工作溫度。

在器件產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期，需要對(duì)器件的散熱情況進(jìn)行熱分析，F(xiàn)lotherm是當(dāng)前最為流行的電子設(shè)備散熱仿真分析軟件[6]，由英國(guó)Flomerics軟件公司開(kāi)發(fā)，在系統(tǒng)級(jí)的熱仿真中擁有固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)(JEDEC)組織唯一認(rèn)證的熱模型庫(kù)Flopack，以及與各種軟件的數(shù)據(jù)接口，可方便地進(jìn)行電子設(shè)備的建模，提供產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的前熱仿真，在軟件中可以對(duì)原理圖中的功耗進(jìn)行建模分析，了解此方案是否會(huì)出現(xiàn)溫度過(guò)高的問(wèn)題，及時(shí)修改設(shè)計(jì)方案，提高產(chǎn)品成功率。該軟件的應(yīng)用縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期并降低了研發(fā)成本。本文采用該軟件進(jìn)行IGCT驅(qū)動(dòng)板的熱分析。圖1為基于該軟件的熱仿真流程[7]。

圖1 熱仿真流程Fig.1 Thermal simulation process

2 IGCT驅(qū)動(dòng)電路PCB設(shè)計(jì)

PCB設(shè)計(jì)主要指版圖設(shè)計(jì)，是以電路原理圖為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)者所需要的功能，需要考慮外部連接的布局。IGCT驅(qū)動(dòng)電路的原理圖分為電源部分、開(kāi)通電路、關(guān)斷電路、邏輯控制電路、狀態(tài)檢測(cè)電路[8]。本文以ABB公司給出的5SHX08F4510型[9]4500V/1100A IGCT的參數(shù)為設(shè)計(jì)指標(biāo)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路原理圖，進(jìn)行PCB整體設(shè)計(jì)。

在PCB設(shè)計(jì)中先對(duì)重要電路的布局布線進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此來(lái)決定最終的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于IGCT而言，關(guān)斷電路是其門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元的主要組成部分，先完成關(guān)斷電路部分的設(shè)計(jì)，使其寄生電感控制在允許的范圍內(nèi)，以保證硬關(guān)斷的實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上完成對(duì)整個(gè)PCB的設(shè)計(jì)。PCB的長(zhǎng)、寬分別設(shè)計(jì)為453 mm和160 mm，圓環(huán)的內(nèi)徑與外徑分別為140 mm和150 mm。PCB按照通用型封裝的IGCT進(jìn)行布局，驅(qū)動(dòng)電路位于PCB的左邊區(qū)域，GCT位于右邊區(qū)域。為了控制關(guān)斷電路的寄生電感，將其布局在GCT管相鄰的位置以減小由于導(dǎo)線長(zhǎng)度引起的寄生電感?？紤]到GCT的門(mén)極的均勻?qū)按蠊?，需要?duì)GCT的門(mén)極周圍整片區(qū)域鋪銅，如圖2中黃色區(qū)域所示。GCT與PCB壓接在一起，其接觸的部分的銅層裸露在外面，形狀是一個(gè)較大的圓環(huán)，如圖2中紅色區(qū)域所示。

圖2 IGCT 的總體布局Fig.2 General layout of IGCT

根據(jù)PCB的一般布局規(guī)則，并結(jié)合IGCT自身特點(diǎn)，最終IGCT驅(qū)動(dòng)電路板的布局如圖3所示。電路板是按照先大后小，先易后難的原則進(jìn)行布局，也就是將電路中最核心、重要的部分先進(jìn)行布局。本文將IGCT設(shè)計(jì)為通用型封裝，先確定GCT門(mén)-陰極接觸面的位置，然后對(duì)關(guān)斷電路進(jìn)行布局，由16個(gè)并聯(lián)的MOS管組成的關(guān)斷電路應(yīng)該放置在離門(mén)極最近的位置，然后對(duì)與電路板結(jié)構(gòu)關(guān)系密切的器件進(jìn)行布置，比如電源插座、開(kāi)關(guān)、指示燈等。在IGCT電路板中，將電源插座放置在電路板邊沿，以便于給電路板供電，而不會(huì)誤觸到其他帶電器件。電源插座位置確定后，按照電源流向順序?qū)⒆儔浩?、整流橋、濾波器等依次放置在此位置?？紤]到板子散熱和減小寄生電感的因素采用四層電路板的疊層結(jié)構(gòu)，電路板在門(mén)極區(qū)域的第一層通鋪銅皮，MOS管到門(mén)極之間的走線都在第一層完成。將邏輯信號(hào)層和電源層走在第一層和最底層，中間是GCT門(mén)極控制信號(hào)和地層，并且保證整板的信號(hào)層有完整的參考平面。這樣布線的優(yōu)點(diǎn)是可以減小電源內(nèi)阻和整板回路的寄生電感，并且電源層走在表層，有利于整板的散熱。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路板整體布線Fig.3 Layout and wiring of drive circuitboard

3 IGCT熱分析

3.1 驅(qū)動(dòng)電路板模型的建立

Flotherm的模型庫(kù)中有幾何建模導(dǎo)入工具，將PCB生成的bdf和ldf文件導(dǎo)入Flotherm中，建立PCB 和元器件的模型。為提高計(jì)算效率，在導(dǎo)入過(guò)程中忽略損耗較小的輔助電路元件(如電阻、電容和電感等)。驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)入后的幾何模型如圖4 所示。模型中空白的位置是GCT器件。采用自主設(shè)計(jì)研發(fā)的4500V/1100AIGCT，該電路板分為4層，然后將PCB中帶有布線和過(guò)孔信息DXF文件導(dǎo)入相應(yīng)的布線層，建立PCB 的詳細(xì)模型。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路板的幾何模型Fig.4 Geometric model of drive circuit board

3.2 器件模型的建立

IGCT驅(qū)動(dòng)板中所用的器件，多用殼溫來(lái)判斷散熱是否滿足要求，只要其宏觀導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置合理，簡(jiǎn)化模型可以達(dá)到仿真精度。所以，對(duì)電路板級(jí)的散熱分析，用簡(jiǎn)化塊模型就可以滿足要求。使用Flotherm軟件的熱模型庫(kù)Flopack中的簡(jiǎn)化模型，該模型采用一個(gè)矩形塊代替器件，通過(guò)設(shè)定合理的導(dǎo)熱系數(shù)值，可以較為準(zhǔn)確地描述器件的散熱屬性，并且能夠在保證仿真精度的前提下，有效地減少模型網(wǎng)格數(shù)量，顯著提高計(jì)算效率。簡(jiǎn)化塊模型的溫度分布如圖5所示。

圖5 簡(jiǎn)化塊模型的溫度分布Fig.5 Temperature distribution of simplified model

3.3 IGCT的散熱分析

根據(jù)上面兩節(jié)分別對(duì)驅(qū)動(dòng)電路板和器件在Flotherm軟件中建立模型，電路板模型選用精確模型，器件選用簡(jiǎn)化模型，其器件對(duì)應(yīng)的型號(hào)見(jiàn)表1。設(shè)定銅層厚度為1.0 oz，環(huán)境溫度為25 ℃。電路板工作時(shí)，在自然對(duì)流的情況下，其表面的空氣會(huì)高于25 ℃。為了仿真的準(zhǔn)確性，電路板反重力方向的求解域設(shè)為4 cm，重力方向的求解域設(shè)為2 cm。然后對(duì)驅(qū)動(dòng)電路板進(jìn)行仿真，其溫度分布如圖6所示。通過(guò)仿真，電路板上的U7的殼溫達(dá)到了149 ℃，U2的溫度也達(dá)到了140 ℃。這是由于器件的體積功率密度(單位體積在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的熱量)決定了其溫度，雖然U7的損耗僅為0.24 W，但是其自身的體積非常小，發(fā)熱密度很大，所以溫度高。由于MOSFET周圍走線采用大片鋪銅，且第三層與底層都是通鋪銅皮作為模擬地，這樣使得此區(qū)域的熱量可以及時(shí)傳遞出去，避免了過(guò)高的溫升。由于器件的安全工作溫度應(yīng)該保證在125 ℃以內(nèi)，因此該驅(qū)動(dòng)電路板還需要優(yōu)化散熱性能。

表1 驅(qū)動(dòng)電路器件匯總Tab.1 Summary of driver circuit devices

圖6 驅(qū)動(dòng)電路板溫度分布圖Fig.6 Temperature distribution of drive circuit board

3.4 銅層厚度對(duì)于散熱能力的影響

在PCB的層數(shù)、總厚度不變的情況下，增加銅層厚度可以增加PCB的散熱能力。圖6的銅層厚度為1.0 oz，圖7是銅層厚度分別為2.0 oz和3.0 oz時(shí)器件的溫度分布。仿真結(jié)果表明銅層厚度增加后，大部分器件溫度降低，驅(qū)動(dòng)電路板的一、三、四層為大面積鋪銅，有利于電路板散熱。但是，在缺少熱過(guò)孔的情況下，器件難以通過(guò)銅層將熱量傳遞出去，將單板銅厚度加大到3.0 oz時(shí)，部分器件仍舊超溫。雖然銅層厚度的增加可以提高驅(qū)動(dòng)電路板的散熱性，但隨著銅層厚度的進(jìn)一步增加，其對(duì)散熱性能的影響會(huì)越來(lái)越小，且會(huì)對(duì)成本和單板制造工藝帶來(lái)新的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)綜合考慮，銅層厚度選為2.5 oz。IGCT 驅(qū)動(dòng)電路板的散熱仍需要繼續(xù)優(yōu)化。

圖7 不同銅層厚度下單板器件溫度分布Fig.7 Temperature distribution of PCB with different thickness of copper layer

4 GCT管芯熱分析

GCT管芯的功耗比電路板上器件的功耗至少高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)GCT安裝在PCB上后，GCT的功耗會(huì)影響驅(qū)動(dòng)電路的溫度分布，有必要分析GCT管對(duì)整個(gè)PCB散熱情況的影響。以ABB公司的4500V5SHX08F4510型IGCT[9]為參考，開(kāi)關(guān)頻率為100 Hz，GCT功耗為1 393.52 W。根據(jù)GCT的封裝結(jié)構(gòu)，選取模型的半徑為7.5 cm，高度為2 cm。如果不加任何外部散熱措施，僅依靠自然散熱，無(wú)法滿足其散熱需求。GCT工作時(shí)必須采用額外的散熱措施，加裝強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器，增大散熱面積以提高器件散熱能力。在IGCT單板中，環(huán)境溫度設(shè)為25 ℃，若要求將GCT溫度控制在約100 ℃時(shí)，空氣極限溫升約75 ℃。但空氣與GCT 器件之間間隔有散熱器，且空氣與散熱器之間也不可能達(dá)到溫度平衡[10]。根據(jù)安全規(guī)范要求，空氣溫度一般不能超過(guò)70 ℃，因此空氣溫升極限ΔT據(jù)式(1)計(jì)算結(jié)果設(shè)定為45 ℃[11]，當(dāng)IGCT運(yùn)行時(shí)器件發(fā)熱的功率可由公式(2)計(jì)算得出。所需風(fēng)量為58.7 CFM。實(shí)際風(fēng)扇選型中，通常采用計(jì)算風(fēng)量乘以1.5～2的系數(shù)作為應(yīng)當(dāng)選擇的風(fēng)扇的最大風(fēng)量，最終確定風(fēng)量為88 CFM以上。在Flotherm庫(kù)中風(fēng)扇的型號(hào)，選SX1202512H12025風(fēng)機(jī)，風(fēng)量約101.8 CFM，模型如圖8所示。

圖8 加裝散熱器的模型Fig.8 Model of radiator

ΔT=Tmax-Ta=70 ℃-25 ℃=45 ℃，

(1)

P=Q×ΔT×ρ×CP。

(2)

式(1)中,Tmax表示安全規(guī)范要求的空氣質(zhì)量最高允許溫度，Ta表示環(huán)境溫度。式(2)中，P為器件發(fā)熱功率，Q為所需風(fēng)量，△T為空氣最高允許的溫升，ρ為空氣密度，CP為空氣比熱容。

利用Flotherm軟件對(duì)加裝強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器的模型進(jìn)行仿真，如圖9所示。GCT上添加適合尺寸的散熱器和風(fēng)扇后，溫度可以控制在98.9 ℃以內(nèi)，沒(méi)有超過(guò)其最高溫度限制。加裝了風(fēng)扇，風(fēng)扇吹出的風(fēng)從散熱齒間向兩側(cè)擴(kuò)展，極大地?cái)_動(dòng)了原本僅靠自然對(duì)流散熱的其他器件上方空氣的流動(dòng)，非常顯著地增強(qiáng)了其散熱效率，使得板上芯片的溫度都得以大幅下降，原本溫度處于臨界的U7芯片，溫度下降到105 ℃，滿足了驅(qū)動(dòng)電路散熱要求。

圖9 加裝風(fēng)扇之后的平面溫度分布Fig.9 Plane temperature distribution of PCB after installation of fan

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)4500V/1100A IGCT的工作特性和電路原理，設(shè)計(jì)出一套完整的PCB版圖。

(2)利用Flotherm軟件對(duì)PCB進(jìn)行熱分析，建立散熱模型，完成IGCT整體熱仿真，提出了外加強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器的方案，最終達(dá)到驅(qū)動(dòng)電路的散熱要求，保證整個(gè)IGCT可靠工作。

(3)PCB散熱分析在IGCT樣品生產(chǎn)之前進(jìn)行，提出可行方案，這樣大大提高IGCT樣品的成功率，加快樣品市場(chǎng)化步伐，為IGCT設(shè)計(jì)提供理論參考。