IGBT三相逆变混合模块的散热装置分析

2021-07-30李新源徐鳌刘岩胡娟郑成林潘跃飞戴劲

电子元器件与信息技术 2021年4期

李新源，徐鳌，刘岩，胡娟★，郑成林，潘跃飞，戴劲

(1.黄山学院信息工程学院，安徽黄山 245041；2.黄山学院先进封装技术研究中心，安徽黄山 245041；3.黄山市七七七电子有限公司，安徽黄山 245600）

0 引言

随着电子元器件向大功率、多功能、小型化方向的持续发展和电子元器件功率、集成度的不断提高,导致器件有源区产生过高的工作温升,严重影响器件特性及其长期可靠性。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结合了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和双极结型晶体管(BJT)的优点，具有开关速度快、输入阻抗高、通态压降低以及电压驱动等优点，已成为电力电子装置的核心器件，是电力装备的CPU[1-2]。采用IGBT模块进行功率转换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点。由于IGBT承担功率变化,所以电流变大会影响IGBT可靠性[3]。三相逆变器是应用非常广泛的一类电力电子设备，作为大功率逆变电源，用于军队、通信、工厂和企业的不间断电源系统、分布式系统和微电网系统中[4]。

混合模块是将Si基IGBT和SiC基肖特基势垒二极管(SBD)进行混合并联，利用SiC SBD代替Si FRD，作为Si IGBT的续流二极管。SiC SBD的应用可显著降低IGBT开通及二极管反向恢复损耗，有利于实现模块高效化、小型化及轻量化[5-6]。由于SiC SBD的反向恢复损耗很小，相对于全Si功率模块，混合模块可以减少20%～40%的开关损耗。虽然成本有所提高，但是相比于全SiC器件，混合模块是性价比相对较高的选择。

作为大功率变换器的关键部件，IGBT模块趋向高功率、高集成度发展，模块也因其高频传导和开合而不断集中产生大量的热，使其温度快速升高，影响器件的性能[7]，散热不及时会造成模块过热失效，需要通过外部散热装置来辅助散热[8-9]。本文在IGBT三相逆变混合功率模块外安装风冷散热器，分别针对翅片或翅柱两种不同结构的散热器进行模拟仿真，得出模块的温度分布，通过对散热器参数的调节获得在普适性情况下的最优散热装置规格。

1 IGBT混合模块的封装结构

本文讨论的是Si IGBT和SiC SBD组成的三相逆变混合功率模块。模块由六个单元组成，每个单元都是由一个Si IGBT芯片和一个SiC SBD芯片组成。图1(a)为三相逆变功率模块的电路原理图，每两个功率单元串联输出一相，共U、V、W三相。模块内部的封装结构自上而下分别是芯片、焊料层和DBC衬板，如图1(b)所示，外部通过热界面材料连接到散热装置上。利用有限元分析软件构建IGBT混合模块的物理模型，如图2所示，并为各层附上相应的材料，结构尺寸参数见表1。

图1 IGBT 三相逆变混合模块

图2 IGBT 混合模块仿真模型图

2 IGBT混合模块的热仿真研究

通常情况下，IGBT 功率器件的向下散热传递路径可描述为：当IGBT 功率器件通电时，在电压和电流的作用下，IGBT 芯片由于存在通态损耗和开关损耗而产生大量的热。散热路径由上到下依次为：芯片→焊料层→覆铜陶瓷板→焊料层→基板→导热硅脂→散热器，最终由散热器与空气对流，将热量带走。在进行仿真计算时，将IGBT和SBD芯片均设为体热源，对IGBT芯片加载110 W的功率，对SBD芯片加载35 W的功率，热通量设为常温常压下的外部强制对流，空气流速设置为5 m/s，仿真结果如图3所示。此时最高温度出现在中间位置的IGBT芯片上。

2.1 翅柱式散热器参数变化对模块热可靠性的影响

2.1.1 长方体钉柱散热器

翅柱式散热器模型按钉柱规格不同可选择长方体钉柱和梯形钉柱两种。长方体钉柱规格设置为2mm×2mm×翅柱高度，如图4所示，此时X方向翅柱数为15，Y方向翅柱数为10，翅柱高度为30mm。在小范围内分别依次增加X方向翅柱数、Y方向翅柱数以及翅柱高度，其中X方向翅柱数在10-20范围内以2为跨度进行仿真，Y方向翅柱数在8-16范围内以2为跨度进行仿真，翅片高度在30-40mm范围内以5mm的跨度进行仿真。得到模块的结温变化情况如图5所示。

表1 IGBT 混合模块的几何尺寸参数

图3 IGBT 混合模块的温度分布图

图4 长方体钉柱散热器仿真温度分布图

图5 长方体钉柱散热器不同尺寸参数对结温的影响

在翅柱高度不变时，分别增加X方向和Y方向翅柱的数量，可以看出模型中的结温明显下降。取翅柱高度30mm时的数据观察，在相同Y方向翅柱数量时，随着X方向翅柱数量的增多，模型中结温开始时下降较为迅速，到一定程度后下降曲线趋于平缓，再增加翅柱数量散热效果并不明显。

当增加翅柱高度时，固定X、Y方向翅柱数，此时模型的结温随之下降。如当X=15、Y=10时，翅柱高度为30mm、35mm、40mm时结温分别为138℃、128℃和121℃。

2.1.2 梯形钉柱散热器

为了比较梯形钉柱散热器效果是否优于上述散热装置，我们对一个梯形钉柱散热器建模并仿真，梯形钉柱尺寸设置为3mm×2mm×翅柱高度，温度分布如图6所示。分别增加X方向和Y方向翅柱的数量，增加跨度和范围与长方体钉柱相同，得到结温变化情况如图7所示。在翅柱高度不变时，分别增加X方向和Y方向翅柱的数量，可以看出模型中的结温明显下降。当X=15、Y=10时，翅柱高度为30mm、35mm、40mm时结温分别为119℃、111℃和104℃。相较于长方体钉柱型翅柱，同等翅柱数量和高度下，梯形钉柱散热效果明显优于长方体钉柱，这是因为梯形钉柱的间距更有利于带走热量。

图6 梯形钉柱散热器仿真温度分布图

图7 梯形钉柱散热器不同尺寸参数对结温的影响

2.2 翅片散热器参数变化对模块热可靠性的影响

为了比较翅片散热器和翅柱散热器的效果，设计梯形翅片散热器，规格和翅柱散热器一致，尺寸设置为3mm×2mm×翅片高度。梯形翅片散热器温度分布如图8所示。在翅片高度不变时，增加翅片数量，可以看出模型中的结温明显下降。当翅片数量为15，翅片高度为30mm、35mm、40mm时结温分别为114℃、105℃和98.5℃。

图8 梯形翅片散热器仿真温度分布图

综上我们一共研究了三种散热器对模块热可靠性的影响，为了便于比较在同样规格条件下，哪种结构对IGBT三相逆变模块的散热效果更好，固定散热器翅柱/翅片高度为30mm，列出表格如表2。由表可看出在同等条件下，翅柱散热器中散热效果更好的是梯形钉柱散热器，梯形翅片散热器可以得到与后者相近的效果，由于翅片散热器比梯形翅柱散热器更易制作，加工工艺更为简约，所以在该模块中采用梯形翅片散热器是最优选择。