基于ANSYS的1700V-3600A IGBT模塊熱性能仿真

孟昭亮，韓立業(yè)，孫 浩

（1.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安　710048；2.西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安　710048）

基于ANSYS的1700V-3600A IGBT模塊熱性能仿真

孟昭亮1，2，韓立業(yè)1，孫 浩1

（1.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048；2.西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安710048）

本文主要針對1700V/3600A IGBT模塊進(jìn)行了熱學(xué)分析，建立與其相應(yīng)的等效熱阻模型，并根據(jù)IGBT損耗的計(jì)算方法計(jì)算出IGBT工作時(shí)的損耗，通過ANSYS軟件對IGBT進(jìn)行建模、仿真，得到其穩(wěn)態(tài)時(shí)的內(nèi)部溫度分布，分析穩(wěn)態(tài)時(shí)是否超出了IGBT的最大溫度限制，驗(yàn)證其工作穩(wěn)定性。

ANSYS；IGBT；損耗；模型；仿真

當(dāng)前，隨著大功率IGBT模塊的應(yīng)用愈來愈普遍，尤其是在軌道交通、智能電網(wǎng)、新能源汽車、新能源發(fā)電等領(lǐng)域擁有至關(guān)重要的作用，成為目前世界學(xué)術(shù)界及工業(yè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［1］。對于集成式的功率模塊來說，工作時(shí)其內(nèi)部的芯片損耗功率，相當(dāng)于熱源，熱量經(jīng)過焊層、襯板、基板等，經(jīng)由散熱器散熱［2］。隨著功率器件的高頻化，其內(nèi)部芯片損耗的功率也隨之越來越高，這就造成模塊的結(jié)溫增大，當(dāng)結(jié)溫超過一定值時(shí)，IGBT模塊的工作可靠性就將大大降低。

文中通過對1700V-3600A IGBT模塊進(jìn)行熱學(xué)分析，建立與其相對應(yīng)的熱阻模型，并利用ANSYS軟件對模塊經(jīng)行建模與仿真，得到IGBT穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布，將得到的仿真結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證IGBT長時(shí)間工作后達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度是否其超過了正常工作的溫度限制。

1　熱學(xué)分析

本節(jié)主要介紹了IGBT的結(jié)構(gòu)以及其工作時(shí)的散熱過程，并通過對IGBT進(jìn)行熱阻建模分析了其熱性能特性。

1.1模塊結(jié)構(gòu)

文中所研究的1700V/3600A IGBT模型如圖1所示，其內(nèi)部由4個(gè)子單元組成，每個(gè)子單元主要包括4件IGBT和 6件二極管以及DBC輔助電極、硅片電阻和鋁絲，子單元的模型如圖2所示。

圖1　IGBT模塊

圖2　IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3　IGBT單元模型及熱傳導(dǎo)

模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由七層不同的材料組成，包括6個(gè)不同的接觸面。模塊中的單元模型如圖3所示，模塊工作時(shí)的主要發(fā)熱是由IGBT和續(xù)流二極管的損耗導(dǎo)致的，在熱學(xué)中相當(dāng)于發(fā)熱源，由熱傳導(dǎo)原理可以得出，由IGBT和續(xù)流二極管發(fā)出的熱量向下經(jīng)過二次焊層、DBC襯板、一次焊層、基板傳導(dǎo)，最終通過與基板連接的散熱裝置散熱，使IGBT模塊在允許的溫度范圍內(nèi)正常工作［2］。

1.2熱阻模型

對于功率器件集成模塊而言，模塊的結(jié)殼熱阻是評價(jià)器件性能及進(jìn)行應(yīng)用計(jì)算仿真的重要參數(shù)，是模塊熱學(xué)特性的重要體現(xiàn)［3］。為了更好地分析IGBT模塊工作時(shí)的熱性能，對穩(wěn)態(tài)時(shí)的結(jié)殼熱阻進(jìn)行檢測，可以得出IGBT長時(shí)間工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的溫度是否超過了最大的溫度限制。熱阻Rth是導(dǎo)熱介質(zhì)兩端的溫度差與通過熱流功率的比值，單位為℃/W或K/W［4］。熱阻用公式（1）定義：

式中：T1為發(fā)熱部位的溫度值；T2為某參考點(diǎn)的溫度；Pv為芯片的損耗。

從式中可以看出熱阻的大小是由ΔT和Pv共同決定的，在同一個(gè)工作環(huán)境下，Pv一般是可以通過計(jì)算得到的，因此熱阻的大小主要由ΔT決定，ΔT越小，相對應(yīng)的熱阻也越小，也就是說如果IGBT模塊相對應(yīng)的熱阻值越小，對應(yīng)的結(jié)溫升溫就越小，IGBT在穩(wěn)態(tài)時(shí)的最大溫度超出限制的可能性就越小。本文采用圖4方式來確定1700/3600 IGBT模塊的熱阻模型。

圖4　IGBT單元模型的熱阻模型

如圖4所示，熱阻模型采用將IGBT模塊中的各層等效在一個(gè)節(jié)點(diǎn)的方式，這樣就避免了因沒有考慮溫度在芯片上和封裝外殼上的分布是不均勻的，以及模塊中各個(gè)單元以及子單元中不同層的熱耦合作用等因素造成的誤差［4］，得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確，由此可以得到模塊的熱阻模型如下圖所示。模塊中的各層均等效為相應(yīng)的阻抗，這樣IGBT模塊損耗的功率就通過芯片以及各層對應(yīng)的阻抗傳導(dǎo)至散熱器。如果已知了IGBT的功率損耗，并且假設(shè)已知，結(jié)溫就可由式（2）求得：

式中：P（t）為IGBT功率損耗；Zthjc（t）是模塊的結(jié)殼熱阻；Tcase為基板的溫度。

2　IGBT模塊的損耗計(jì)算

IGBT模塊在工作時(shí)的功率損耗主要包括與續(xù)流二極管的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。

2.1通態(tài)損耗

對于IGBT而言，在一個(gè)控制周期內(nèi)的通態(tài)損耗用式（3）表示：

式中：Vceo為IGBT通態(tài)狀態(tài)下的正向管壓降；i為IGBT通態(tài)時(shí)的電流；rce為UGBT的結(jié)熱阻抗；M為正弦調(diào)制PWM輸出占空比；cosφ為PWM輸出功率因數(shù)。

同樣的續(xù)流二極管的通態(tài)損耗可用式（5）表示：

式中：VFO為通態(tài)狀態(tài)下續(xù)流二極管的管壓降；i為通過續(xù)流二極管的運(yùn)行電流；rT為二極管結(jié)熱阻抗；M為正弦調(diào)制PWM的輸出占空比；cosφ為PWM輸出功率因數(shù)。

2.2開關(guān)損耗

IGBT的開關(guān)損耗是在器件開通時(shí)的開通能量損耗和關(guān)斷能量損耗之和。其計(jì)算公式為：

式中：Psw為IGBT的開關(guān)損耗值；f為IGBT的開關(guān)頻率；Eon為 IGBT在單次觸發(fā)脈沖導(dǎo)通時(shí)損耗的能量；Eoff為 IGBT在單次觸發(fā)脈沖關(guān)斷時(shí)損耗的能量。

由于續(xù)流二極管的開通能量損耗可以忽略不計(jì)，因此，續(xù)流二極管的開關(guān)損耗的計(jì)算公式為：

式中：Prec為二極管的開關(guān)損耗值；f為二極管關(guān)斷頻率；Eoff為二極管單次關(guān)斷脈沖的能量損耗。

2.3模塊總損耗

IGBT總損耗包括通態(tài)損耗與開關(guān)損耗，用式（8）表示：

續(xù)流二極管總損耗PD等于二極管的通態(tài)損耗與開關(guān)損耗之和，用式（9）表示：

由此可得IGBT模塊總的損耗Ptot為：

3　仿　真

本節(jié)主要利用ANSYS軟件對IGBT模塊進(jìn)行建模，對其內(nèi)部傳熱進(jìn)行仿真，得到其穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布。

3.1建立模型

文中使用ANSYS對IGBT模塊進(jìn)行熱性能仿真，在進(jìn)行仿真前對仿真模型進(jìn)行幾點(diǎn)說明：1）為了突出重點(diǎn)并節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，減少計(jì)算時(shí)間，僅對IGBT模塊中的一個(gè)子單元進(jìn)行熱學(xué)仿真［5］。2）由于IGBT與二極管是主要的發(fā)熱源，子單元中的鍵和鋁絲的發(fā)熱量與之相比較可以忽略不計(jì)，因此在建立仿真模型時(shí)就將這兩部分忽略。3）子單元中的DBC輔助電極與硅片電阻直接與焊層連接，其熱量可直接通過焊層散熱，在仿真過程中同樣可以忽略不計(jì)。4）認(rèn)為焊層中不存在任何空洞、缺陷，所有的焊層都是均勻的［6］。通過計(jì)算得到子單元中的IGBT和二極管所消耗的功率，在仿真過程中相當(dāng)于在IGBT芯片和二極管上施加熱流密度，在底板上施加對流系數(shù)，并規(guī)定底板的溫度為室內(nèi)溫度25℃，施加過條件后進(jìn)行模型的熱穩(wěn)定分析，IGBT子單元的仿真模型如圖5所示。

圖5　IGBT有限元模型

3.2仿真結(jié)構(gòu)

完成IGBT單元建模及其邊界條件與負(fù)荷的施加后，得到了IGBT單元的穩(wěn)態(tài)溫度分度，如圖6所示。IGBT的最大允許溫度為150℃，在任何情況下都不能超過其額定值，最差環(huán)境下的最大結(jié)溫限定在125℃或以下。從圖中可以看出IGBT工作時(shí)的最高溫度是125℃，低于150℃，證明IGBT經(jīng)過長時(shí)間的工作后仍工作正常。

圖6　仿真結(jié)果

4　結(jié)論

文中介紹了1700V-3600A IGBT模塊工作的損耗及其熱阻模型，并通過ANSYS軟件對其經(jīng)行建模，仿真，得到其穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布，通過分析得出IGBT模塊長時(shí)間工作仍可工作在其溫度極限下的結(jié)論。

［1］劉國友，吳義伯，徐凝華，等.牽引級1500A/3300V IGBT功率模塊的熱學(xué)設(shè)計(jì)與仿真［J］.機(jī)車電傳動，2013（1）：34-38.

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Analysis of 1700V-3600A IGBT module thermal performance based on ANSYS

MENG Zhao-liang1，2，HAN Li-ye1，SUN Hao1
（1.Dept of Electronics&Information，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China；
2.Dept of Automation and Information Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China）

The thermal management of 1700V/3600A IGBT power module was developed in this paper.First，an equivalent circuit model for thermal resistance of power module was established.According to the calculation method of IGBT，the loss of IGBT model is calculated when the IGBT works.Modeling and simulation of the IGBT by the ANSYS software.The internal temperature distribution is obtained when the steady state.Analysis of steady state whether exceeds the maximum temperature limit of IGBT.Verify whether the IGBT is working properly after long time work.

ANSYS；IGBT；loss；modle；simulation

TN386.2

A

1674－6236（2016）06-0046-03

2015-04-28稿件編號：201504301

西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目（CXY1437（3））

孟昭亮（1987—），男，陜西興平人，碩士，助教。研究方向：嵌入式及電力電子功率集成。