功率半導(dǎo)體模塊的溫控散熱器設(shè)計(jì)方法

劉 波，楊云霄，朱 曄，馬 柯

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240）

功率半導(dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)中最關(guān)鍵也是最脆弱的部件，隨著電力電子系統(tǒng)的工況條件日漸復(fù)雜嚴(yán)苛，環(huán)境因素給功率半導(dǎo)體器件可靠性帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。根據(jù)電力電子功率變換器可靠性的工業(yè)調(diào)查，功率半導(dǎo)體器件相關(guān)的失效占據(jù)整個(gè)電力電子系統(tǒng)失效的31%，極端環(huán)境溫度占據(jù)了功率變換器環(huán)境壓力的35%；近一半的功率變換器受到溫度波動(dòng)的危害[2]?？梢?jiàn)，高溫以及溫度的劇烈變化是影響功率器件壽命的2個(gè)主要因素。

目前，已有一些研究工作將功率半導(dǎo)體器件的基板溫度及環(huán)境溫度對(duì)其產(chǎn)生的影響納入可靠性設(shè)計(jì)的考慮范疇。文獻(xiàn)[3]分析了環(huán)境溫度對(duì)于功率變換器壽命測(cè)試及評(píng)估的重要性；文獻(xiàn)[4]分析了氣溫波動(dòng)對(duì)風(fēng)電變流器系統(tǒng)中功率器件壽命的影響；文獻(xiàn)[5]討論了高溫環(huán)境對(duì)SiC JFET構(gòu)成的逆變器的影響；文獻(xiàn)[6]將溫度納入SiC MOSFET建模的影響因子中；文獻(xiàn)[7]使用仿真方法分析了環(huán)境溫度對(duì)光伏模塊的影響；文獻(xiàn)[8-9]使用溫箱測(cè)試分析高溫環(huán)境對(duì)電力電子系統(tǒng)建模的影響。目前已有的研究工作中，溫箱是最常用的模擬功率半導(dǎo)體器件環(huán)境溫度的測(cè)試方法。然而，溫箱通常價(jià)格昂貴且體積龐大，且溫度上升、下降速度緩慢，無(wú)法模擬溫度的劇烈變化。文獻(xiàn)[10]則用內(nèi)置陶瓷加熱器的圓柱體裝置，分析了寬范圍環(huán)境溫度對(duì)油浸式電力電子系統(tǒng)的影響，但該方法僅適用于溫度穩(wěn)定情況下的油浸式系統(tǒng)的環(huán)境溫度模擬。因此，目前業(yè)界仍然缺少能模擬功率器件較快的動(dòng)態(tài)環(huán)境溫度變化、低成本、測(cè)試靈活且符合國(guó)際測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法。

本文提出一種低成本的可以模擬功率半導(dǎo)體器件環(huán)境溫度的溫控散熱器設(shè)計(jì)方法。首先，本文提出并闡釋了使用溫控散熱器模擬器件環(huán)境溫度的概念，并提出了基于此方法的模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；其次，搭建了基于PLECS仿真軟件的熱仿真模型用于指導(dǎo)溫控散熱器設(shè)計(jì)，并展示了溫控散熱器的設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)流程；最后，展示了設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的溫控散熱器的控溫及模擬效果。

1 模擬功率半導(dǎo)體器件環(huán)境溫度的方法及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1是功率半導(dǎo)體器件常用的熱等效模型[11]。圖中，電流源Ploss（T/D）表示功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的功率損耗，電壓源溫度Ta表示恒定的環(huán)境溫度，其間的RC網(wǎng)絡(luò)表示熱源與環(huán)境之間的熱阻抗Zth（x-y），其中，Zth（h-a）表示散熱器與環(huán)境之間的熱阻抗，可以等效為多階Foster或Cauer結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的內(nèi)部參數(shù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)或者實(shí)驗(yàn)獲取。根據(jù)研究方法和對(duì)象的不同，可以選取不同級(jí)數(shù)的熱阻抗模型：在文獻(xiàn)[12]中，散熱器與環(huán)境之間的熱阻等效為7階Cauer結(jié)構(gòu)，在文獻(xiàn)[13]中，散熱器與環(huán)境之間的熱阻簡(jiǎn)化為1階Cauer結(jié)構(gòu)。由熱等效模型可知，散熱器溫度Ts和環(huán)境溫度Ta之間的關(guān)系為

式中，G（s-a）（s）為散熱器與環(huán)境之間熱等效模型的傳遞函數(shù)。

基于以上分析，本文提出了一種基于溫控散熱器的功率半導(dǎo)體器件環(huán)境溫度模擬系統(tǒng)，如圖2所示。由式（1）可知，待模擬的環(huán)境溫度可以通過(guò)一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的散熱器溫度，通過(guò)控制散熱器溫度擬合補(bǔ)償環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換后的環(huán)境溫度，從而實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體器件環(huán)境溫度的模擬。圖中，溫控散熱器由散熱器、加熱冷卻系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)及測(cè)溫系統(tǒng)組成，為實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的溫度擬合，溫控散熱器需滿足以下要求：測(cè)溫系統(tǒng)的精度應(yīng)足夠高，溫控系統(tǒng)的控溫速度應(yīng)足夠快，加熱冷卻系統(tǒng)的功率應(yīng)足夠大。

2 溫控散熱器的設(shè)計(jì)原理

2.1 基于PLECS的熱仿真模型

設(shè)計(jì)溫控散熱器前，應(yīng)搭建目標(biāo)功率等級(jí)電力電子系統(tǒng)的熱仿真模型，通過(guò)仿真提取得到器件功率損耗及系統(tǒng)中各部分的溫升。盡管熱仿真結(jié)果通常與實(shí)際測(cè)試結(jié)果有一定的偏差，但也能夠粗略估計(jì)損耗和溫升數(shù)據(jù)，從而指導(dǎo)散熱器以及加熱/冷卻系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)，避免器件在測(cè)試過(guò)程中因溫升過(guò)快或過(guò)高導(dǎo)致失效。

基于PLECS的熱仿真模型如圖3所示。其中，功率半導(dǎo)體器件為6個(gè)絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）和6個(gè)反并聯(lián)二極管構(gòu)成的IGBT模塊，每個(gè)IGBT和二極管均含有圖3（a）中所示的損耗模型，PLECS熱仿真過(guò)程中，通過(guò)損耗模型查表獲取器件的瞬時(shí)功率；PLECS中的散熱器組件能夠吸收其邊界范圍內(nèi)所有器件的發(fā)熱損耗；通過(guò)損耗模型和散熱器組件能夠?qū)⒐β拾雽?dǎo)體器件的電特性和熱特性建立聯(lián)系。散熱器組件的輸出端子連接外部的熱阻抗網(wǎng)絡(luò)，Rth（c-h）和Rth（c-h）分別代表殼到散熱器和散熱器到環(huán)境的熱阻，電壓源代表穩(wěn)定的環(huán)境溫度，溫度測(cè)量和損耗測(cè)量組件是PLECS中自帶的測(cè)量工具。

本文選取文獻(xiàn)[14]中包含三相兩電平逆變器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為待測(cè)的電力電子系統(tǒng)，仿真結(jié)果顯示待測(cè)系統(tǒng)的功率損耗為223.5 W。通過(guò)調(diào)整Rth（c-h）參數(shù)可以確定，為避免功率半導(dǎo)體的結(jié)溫超過(guò)其最大結(jié)溫（175℃），散熱器到環(huán)境熱阻Rth（c-h）應(yīng)小于0.197℃/W。

2.2 測(cè)溫系統(tǒng)

由于溫度測(cè)量結(jié)果會(huì)隨著測(cè)溫位置改變而改變，因此，為保證散熱器溫度的有效表征，并保證不同測(cè)試結(jié)果的可對(duì)比性，有必要依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)確定一系列固定的溫度測(cè)量位置以及溫度測(cè)量方法。MIL-STD-883G[15]和JESD51[16]對(duì)功率半導(dǎo)體器件熱阻抗測(cè)試中的溫度測(cè)量位置以及溫度測(cè)量方法進(jìn)行了約束，標(biāo)準(zhǔn)中確定的溫度測(cè)量位置如圖4所示，圖中a為光纖溫度傳感器，b所指的虛線部分為功率半導(dǎo)體模塊，c為功率半導(dǎo)體模塊中的IGBT芯片，d為功率半導(dǎo)體模塊基板，e為導(dǎo)熱硅脂，f為散熱器；為進(jìn)行后續(xù)的研究工作，另外兩個(gè)重要的溫度（結(jié)溫Tj和殼溫Tc）的測(cè)量位置也在圖4中標(biāo)出，本文僅關(guān)注散熱器溫度Th。

依據(jù)JESD51和MIL-STD-883G，散熱器溫度測(cè)量方法應(yīng)選取為熱電偶測(cè)溫，常用幾種熱電偶的區(qū)別如表1所示。本文中，溫控散熱器期望模擬常見(jiàn)的功率半導(dǎo)體器件操作溫度范圍，即25～150℃，此溫度區(qū)間中T型熱電偶的測(cè)量精度最高，因此選取T型熱電偶作為本文裝置的測(cè)溫方法。

2.3 溫控系統(tǒng)及控溫方法

受電力電子學(xué)[15]中面積等效原理的啟發(fā)，溫控散熱器采用了一種基于占空比可變開(kāi)關(guān)信號(hào)的溫度控制算法，如圖5所示。在該方法中，首先求取獲得設(shè)定溫度和測(cè)量溫度之間的差值，再根據(jù)差值大小，由PID控制器確定加熱還是冷卻并且輸出不同占空比大小的開(kāi)關(guān)信號(hào)。不同占空比的開(kāi)關(guān)信號(hào)意味著不同的加熱或冷卻功率，以加熱功率為例，依據(jù)面積等效原理，加熱功率等效為

表1 常見(jiàn)的熱電偶的區(qū)別Tab.1 Difference between several commonly used thermocouples

式中：Pav為等效的加熱功率；T為占空比控制周期；D為開(kāi)關(guān)信號(hào)占空比；Ph為加熱棒的額定功率。冷卻風(fēng)扇使用PWM控制，其等效冷卻功率的原理與以上分析類似。

當(dāng)測(cè)量溫度低于設(shè)定溫度且接近設(shè)定溫度時(shí)，D較小，Pav較小，溫升速度緩慢，可以避免過(guò)大的過(guò)沖。同時(shí)，當(dāng)測(cè)量溫度遠(yuǎn)小于設(shè)定溫度時(shí)，D較大，Pav較大，溫升速度迅速，可以保證當(dāng)劇烈的溫度變化時(shí)溫度的快速跟蹤。此溫度控制算法可以在微控制器例如DSP中實(shí)現(xiàn)。首先，環(huán)境溫度可以在微控制器中計(jì)算轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的散熱器溫度，進(jìn)而將此溫度作為設(shè)定溫度Ts并發(fā)出指令，通過(guò)溫度控制算法轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)占空比的開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出，從而控制加熱或冷卻功率，進(jìn)而控制散熱器溫度達(dá)到預(yù)期；此外PID控制器的參數(shù)以及開(kāi)關(guān)信號(hào)的周期均可通過(guò)微控制器進(jìn)行控制；通過(guò)溫度的閉環(huán)控制以及控制環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)定，散熱器溫度可以快速準(zhǔn)確地跟蹤經(jīng)轉(zhuǎn)換后的待模擬環(huán)境溫度。

3 溫控散熱器的設(shè)計(jì)流程

溫控散熱器的設(shè)計(jì)流程如圖6所示，溫控散熱器主要包括散熱器、導(dǎo)熱硅脂、加熱棒、風(fēng)扇以及各部分組件的驅(qū)動(dòng)。首先，使用第2.1節(jié)的方法，搭建基于PLECS的熱仿真模型預(yù)估功率半導(dǎo)體器件功率損耗及系統(tǒng)中各部分的溫升，指導(dǎo)散熱器選型；依據(jù)文獻(xiàn)[18-19]進(jìn)行選型，確定選用齒型散熱器，最終選取散熱器的熱阻（風(fēng)速3 m/s時(shí)）為0.111 8℃/W，小于第2.1節(jié)中提取得到的散熱器到環(huán)境熱阻最大值0.197℃/W。散熱器參數(shù)如表2所示，散熱器側(cè)面風(fēng)壓分布如圖7所示。

表2 散熱器參數(shù)Tab.2 Parameters of the selected heatsink

進(jìn)而，加熱棒及風(fēng)扇的參數(shù)可以根據(jù)散熱器參數(shù)進(jìn)行確定。本系統(tǒng)期望實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度最大可達(dá)到150℃。假定環(huán)境溫度為25℃，根據(jù)散熱器的熱阻和系統(tǒng)溫升的要求，確定加熱棒功率為

式中：Pheater為加熱棒功率；ΔT為期望溫升；Rh-a為散熱器在自然冷卻條件下的熱阻，值為0.492℃/W。

根據(jù)圖7所示的散熱器風(fēng)壓分布以及風(fēng)扇的風(fēng)壓-風(fēng)速曲線，依據(jù)文獻(xiàn)[20]確定PWM風(fēng)扇的工作點(diǎn)風(fēng)速。根據(jù)散熱器熱阻的要求，工作點(diǎn)風(fēng)速應(yīng)大于3 m/s,可選取其為臺(tái)達(dá)風(fēng)扇FFC0912DE-TP04。

最終，確定風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)、加熱棒驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)熱硅脂及機(jī)械架構(gòu)。本文選取風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)為20 kHz的PWM發(fā)生器；考慮到加熱棒驅(qū)動(dòng)的頻繁低頻率動(dòng)作，為保證壽命，加熱棒驅(qū)動(dòng)電路選取為多路固態(tài)繼電器，而非電磁繼電器。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)裝置集成了散熱器、風(fēng)扇、加熱棒、測(cè)量系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示。功率半導(dǎo)體器件選取為STARPOWER Semiconductor公司的IGBT模塊GD75FFY65C5S，額定電壓650 V/額定電流75 A；溫度控制算法及環(huán)境溫度到散熱器溫度的轉(zhuǎn)換在TI的DSP芯片（TMS320f28335）中實(shí)現(xiàn)。

為驗(yàn)證溫控散熱器的溫控效果，設(shè)置溫度控制實(shí)驗(yàn)條件為，控制散熱器溫度從70℃升高至125℃而后降溫至55℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。圖中不同曲線代表圖4中散熱器上不同的測(cè)溫位置，可見(jiàn)，散熱器中不同測(cè)溫點(diǎn)溫度分布是均勻的。在P1階段，散熱器溫度在290 s內(nèi)從70℃升高至125℃；在P2階段，散熱器溫度穩(wěn)定在125℃維持170 s；在P3階段，散熱器溫度在240 s內(nèi)從125℃降溫至55℃，最后，在P4階段，散熱器溫度穩(wěn)定在55℃維持250 s。表3總結(jié)了溫控散熱器的效果。模擬環(huán)境溫度在1 000 s內(nèi)的溫度波動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形如圖9（b）所示，可以看到，測(cè)量得到的散熱器溫度可以快速地跟隨環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換后的溫度。

表3 溫控散熱器的效果Tab.3 Performances of temperature-controlled heatsink

此外，在搭建完成的溫控散熱器平臺(tái)上，分析散熱器溫度對(duì)功率半導(dǎo)體器件導(dǎo)通損耗的影響。選取典型的功率半導(dǎo)體器件IGBT作為待測(cè)器件，通過(guò)溫控系統(tǒng)將散熱器溫度穩(wěn)定在不同溫度下，對(duì)單個(gè)IGBT施加30 A恒定電流，并保持器件導(dǎo)通，使用文獻(xiàn)[21-22]中所述測(cè)量電路，提取的IGBT的導(dǎo)通損耗如表4所示，表中，散熱器溫度不控表示測(cè)量時(shí)散熱器溫度不加控制，此時(shí)，散熱器溫度為53.2℃?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著散熱器溫度升高，在同樣的導(dǎo)通電流下，功率半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通壓降會(huì)隨著散熱器溫度升高而增大，對(duì)應(yīng)其導(dǎo)通損耗也會(huì)增大；因此，散熱器溫度會(huì)對(duì)導(dǎo)通狀態(tài)的IGBT的導(dǎo)通壓降及導(dǎo)通損耗產(chǎn)生影響。

表4 不同散熱器溫度下器件的導(dǎo)通損耗Tab.4 Power loss of one device under the different heatsink temperatures

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出功率半導(dǎo)體器件的溫控散熱器設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的模擬，相較于傳統(tǒng)方法如溫箱，更經(jīng)濟(jì)高效。通過(guò)散熱器溫度與環(huán)境溫度之間的轉(zhuǎn)換，可以使用本文提出的系統(tǒng)裝置模擬更復(fù)雜的環(huán)境溫度。論述了溫控散熱器的設(shè)計(jì)流程以及設(shè)計(jì)原理，并且將一種基于面積等效原理的溫度控制算法應(yīng)用于溫控散熱器中，從而實(shí)現(xiàn)了溫度快速跟蹤的同時(shí)避免過(guò)大的溫度過(guò)沖；基于本文提出的設(shè)計(jì)方法，搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性。利用此平臺(tái)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證還將繼續(xù)開(kāi)展；還可以分析散熱器溫度及環(huán)境溫度對(duì)功率半導(dǎo)體器件運(yùn)行工況的影響，應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)主動(dòng)溫度控制的研究中。