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(xué)院信息工程學(xué)院，安徽 黃山 245041；2.黃山學(xué)院先進(jìn)封裝技術(shù)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(xù)發(fā)展和電子元器件功率、集成度的不斷提高,導(dǎo)致器件有源區(qū)產(chǎn)生過高的工作溫升,嚴(yán)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(jié)合了金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和雙極結(jié)型晶體管(BJT)的優(yōu)點，具有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、通態(tài)壓降低以及電壓驅(qū)動等優(yōu)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(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，能夠提高用電效率和質(zhì)量，具有高效節(jié)能和綠色環(huán)保的特點。由于IGBT承擔(dān)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(yīng)用非常廣泛的一類電力電子設(shè)備，作為大功率逆變電源，用于軍隊、通信、工廠和企業(yè)的不間斷電源系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)和微電網(wǎng)系統(tǒng)中[4]。

混合模塊是將Si基IGBT和SiC基肖特基勢壘二極管(SBD)進(jìn)行混合并聯(lián)，利用SiC SBD代替Si FRD，作為Si IGBT的續(xù)流二極管。SiC SBD的應(yīng)用可顯著降低IGBT開通及二極管反向恢復(fù)損耗，有利于實現(xiàn)模塊高效化、小型化及輕量化[5-6]。由于SiC SBD的反向恢復(fù)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(guān)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(guān)鍵部件，IGBT模塊趨向高功率、高集成度發(fā)展，模塊也因其高頻傳導(dǎo)和開合而不斷集中產(chǎn)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(fēng)冷散熱器，分別針對翅片或翅柱兩種不同結(jié)構(gòu)的散熱器進(jìn)行模擬仿真，得出模塊的溫度分布，通過對散熱器參數(shù)的調(diào)節(jié)獲得在普適性情況下的最優(yōu)散熱裝置規(guī)格。

1 IGBT混合模塊的封裝結(jié)構(gòu)

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(lián)輸出一相，共U、V、W三相。模塊內(nèi)部的封裝結(jié)構(gòu)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(gòu)建IGBT混合模塊的物理模型，如圖2所示，并為各層附上相應(yīng)的材料，結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)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(dāng)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(tài)損耗和開關(guān)損耗而產(chǎn)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(dǎo)熱硅脂→散熱器，最終由散熱器與空氣對流，將熱量帶走。在進(jìn)行仿真計算時，將IGBT和SBD芯片均設(shè)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(shè)為常溫常壓下的外部強(qiáng)制對流，空氣流速設(shè)置為5 m/s，仿真結(jié)果如圖3所示。此時最高溫度出現(xiàn)在中間位置的IGBT芯片上。

2.1 翅柱式散熱器參數(shù)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(guī)格不同可選擇長方體釘柱和梯形釘柱兩種。長方體釘柱規(guī)格設(shè)置為2mm×2mm×翅柱高度，如圖4所示，此時X方向翅柱數(shù)為15，Y方向翅柱數(shù)為10，翅柱高度為30mm。在小范圍內(nèi)分別依次增加X方向翅柱數(shù)、Y方向翅柱數(shù)以及翅柱高度，其中X方向翅柱數(shù)在10-20范圍內(nèi)以2為跨度進(jìn)行仿真，Y方向翅柱數(shù)在8-16范圍內(nèi)以2為跨度進(jìn)行仿真，翅片高度在30-40mm范圍內(nèi)以5mm的跨度進(jìn)行仿真。得到模塊的結(jié)溫變化情況如圖5所示。

表1 IGBT 混合模塊的幾何尺寸參數(shù)

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(shù)對結(jié)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(shù)量，可以看出模型中的結(jié)溫明顯下降。取翅柱高度30mm時的數(shù)據(jù)觀察，在相同Y方向翅柱數(shù)量時，隨著X方向翅柱數(shù)量的增多，模型中結(jié)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(shù)量散熱效果并不明顯。

當(dāng)增加翅柱高度時，固定X、Y方向翅柱數(shù)，此時模型的結(jié)溫隨之下降。如當(dāng)X=15、Y=10時，翅柱高度為30mm、35mm、40mm時結(jié)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(yōu)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(shè)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(shù)量，增加跨度和范圍與長方體釘柱相同，得到結(jié)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(shù)量，可以看出模型中的結(jié)溫明顯下降。當(dāng)X=15、Y=10時，翅柱高度為30mm、35mm、40mm時結(jié)溫分別為119℃、111℃和104℃。相較于長方體釘柱型翅柱，同等翅柱數(shù)量和高度下，梯形釘柱散熱效果明顯優(yōu)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(shù)對結(jié)溫的影響

2.2 翅片散熱器參數(shù)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(shè)計梯形翅片散熱器，規(guī)格和翅柱散熱器一致，尺寸設(shè)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(shù)量，可以看出模型中的結(jié)溫明顯下降。當(dāng)翅片數(shù)量為15，翅片高度為30mm、35mm、40mm時結(jié)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(guī)格條件下，哪種結(jié)構(gòu)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(yōu)選擇。

表2 不同結(jié)構(gòu)散熱器的散熱對比

3 結(jié)語

在“低碳”經(jīng)濟(jì)理念的推動下，碳化硅功率器件應(yīng)用前景廣大。IGBT功率半導(dǎo)體模塊加載功率后勢必會受到結(jié)溫升高產(chǎn)生的影響，熱量的累積會嚴(yán)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。