DBC基板集成分流器的IGBT模塊熱分析.doc

DBC基板集成分流器的IGBT模塊熱分析 韓立業(yè)2，楊媛1，高勇1,2，孟昭亮1,2（1.西安理工大學，自動化與信息工程學院，陜西，西安，710048；2.西安工程大學，電子信息學院，陜西，西安，710048）摘要：IGBT模塊在工業(yè)生產中應用十分廣泛，但是在使用過程中常常因為過流造成器件損壞，測量IGBT模塊內部電流的方式多種多樣，以1200V/800A IGBT模塊為例，采用內部集成分流器方法測量電流為模塊提供保護。由于模塊內部集成了分流器，需對IGBT模塊中的DBC基板重新布局，本文提出了一種新型集成分流器的準交錯式DBC布局方式。DBC基板上芯片（IGBT、二極管和分流器）布局影響整個模塊的熱性能，通過對芯片之間熱耦合以及模塊熱阻進行IGBT模塊熱分析，并利用ANSYS軟件對集成分流器IGBT模塊進行熱穩(wěn)態(tài)仿真，驗證新型布局的可行性。關鍵詞：集成分流器，DBC布局，耦合效應，熱仿真1. 前言IPM（Intelligent Power Module）即智能功率模塊，不僅在功率模塊內部集成過電流、過電壓、過溫等故障檢測電路，并將檢測信號傳送給CPU，并且將驅動電路和散熱器與功率模塊連接在一起。IPM以其高可靠性，非常適合驅動電機的變頻器和各種逆變電源等大功率應用場合。IGBT過電流保護方式有很多，包括：分流器、電流傳感器、柵極電壓測量、檢測以及測量等。電流傳感器的體積較大，不易使用在內部集成中；柵極電壓測量、檢測以及檢測方式均是在功率模塊外部搭設外部電路，受外部因素影響較多；而內部集成分流器可以準確、有效測量功率模塊電流，并將測量信號傳送給CPU，并且可以將由分流器損耗產生的熱能直接散發(fā)到散熱器上。由于功率模塊內部集成了分流器，需要對DBC基板上芯片重新布局。針對1200V/800A 等級IPM內部DBC基板上芯片布局進行研究。在原有1200V/800A IGBT模塊基礎上集成分流器構成IPM的功率單元，優(yōu)化功率模塊單元DBC基板上芯片布局結構，對集成分流器功率單元進行熱分析。對現(xiàn)有幾種DBC基板上芯片布局分析進行熱分析，提出一種新的交錯式DBC布局方式。并通過對集成分流器的功率模塊內部結構進行建模，即利用ANSYS軟件對其進行熱穩(wěn)態(tài)仿真，根據(jù)熱仿真結果對比幾種布局方式下的模塊穩(wěn)定工作時的溫度，驗證交錯式布局方式的可行性。2. 功率模塊研究智能功率模塊（IPM）由三個部分組成：驅動單元、功率單元及冷卻單元。研究的功率單元是在ABB 1200V/800A IGBT模塊基礎上內部集成分流器構成的。在原有IGBT模塊內部集成分流器來檢測模塊內部電流，并通過端子與控制端連接，構成IPM中的功率單元。由于集成了分流器，需要對DBC上的芯片進行重新布局，并對其進行熱性能研究、電性能研究，由于功率模塊中每只IGBT都是有兩個子單元組成的，在對模塊性能進行研究時，只需對一只IGBT即兩個子單元研究就可。2.1熱性能研究熱性能是功率模塊的一個重要指標，文獻4通過對傳統(tǒng)IGBT模塊進行等效熱阻電路研究，分析了在模塊結構不變的前提下如何通過減小模塊熱阻來提升模塊熱性能，增強模塊散熱性。文獻5利用ANSYS仿真軟件對IGBT模塊進行熱仿真，通過對IGBT模塊中不同材料、厚度等改變，不斷對IGBT模塊熱性能進行優(yōu)化。文獻6對功率模塊中鍵合線進行研究，通過ANSYS軟件分析了鍵合線在高溫工作及大電流條件下的機械強度，是否出現(xiàn)連接鍵斷裂。由于功率模塊內部集成了分流器，為了得到熱性能更好地布局方式，通過ANSYS軟件對DBC上芯片熱耦合、芯片不同位置對應的熱阻以及不帶銅底板時模塊整體熱阻等方面對功率模塊熱性能進行研究。 由于DBC尺寸較小，必須考慮芯片之間的熱耦合溫度，當芯片之間的距離在一定的范圍內，芯片的溫度會隨著熱耦合而上升4。芯片間距離范圍一般可用公式1得到： 式1 其中：a為芯片間耦合距離；為芯片面積。根據(jù)上述公式，可以計算出當芯片面積為144時，其距離應為7.2。在相同的外部條件下對不同間隔距離（0，1，6）的芯片進行熱仿真，其仿真結果如圖1所示。圖1 不同間隔距離熱仿真從熱仿真結果可以看出，在相同外部條件下，隨著發(fā)熱源之間距離的縮小，芯片溫度越來越高，芯片的熱耦合效應越明顯。IPM功率模塊中IGBT芯片是主要的生熱源，因此在對DBC基板上芯片進行布局時應充分考慮到芯片之間的間隔距離，合理的芯片間距有利于降低整個模塊的工作溫度，提升模塊工作穩(wěn)定性。大功率工作條件下，散熱片已經不能滿足功率單元的散熱要求，IPM將功率單元與散熱器集成在一起，大大提高了智能模塊的散熱能力，隨著模塊散熱能力的提升。模塊的結-殼熱阻是最能反映出功率模塊的熱學性能，熱阻大小主要由散熱器上分布的熱源數(shù)量決定，同時也受到熱源位置以及散熱器對流流動方向的影響。由于本文研究的功率單元中IGBT芯片數(shù)量是一定的，此時影響熱阻的主要因素是熱源位置以及散熱器對流流動方向，圖2給出了在散熱器對流方向一定時，DBC上熱源不同位置所對應的熱阻大小。圖2 芯片在DBC不同位置熱阻值從圖中可以得到，在散熱器的邊緣是最沒效果的位置，因為熱擴散順著對流流動方向散熱要比逆著對流流動方向效果要好，當芯片位于與散熱器的對流流動方向一直方向時，其熱阻最小，具有良好熱傳導行。3. DBC布局優(yōu)化目前IGBT模塊中的DBC基板芯片布局方式主要有三種方式，即上述傳統(tǒng)布局方式、直線型布局方式和交錯式布局方式。通過DBC基板上集成分流器檢測IGBT模塊內部電流，由于傳統(tǒng)布局方式中主端子占據(jù)了DBC基板上一大部分空間，使用該種方式集成分流器時將大大增加DBC基板面積，從而增加了整個模塊的體積，而直線型布局方式和交錯式布局方式通過改變主端子連接方式，大大減小了主端子占據(jù)的面積，有利于內部集成分流器。DBC基板上集成分流器后的IGBT模塊子單元如圖3、4所示。直線型布局方式即DBC基板上的芯片處于一條直線排列，交錯式布局方式即DBC基板上的IGBT芯片與續(xù)流二極管交錯排列。 圖3 直線型布局方式 圖4 交錯式布局方式 通過對芯片耦合及芯片在DBC基板上不同位置的熱阻值分析可知，直線型布局方式中由于芯片處于一條直線上，芯片之間容易產生耦合效應，造成模塊整體溫度升高。而交錯式布局方式通過將相鄰的芯片交錯布局，降低了芯片之間的耦合效應，但是由于一只IGBT模塊是由兩個子單元組成的，相鄰兩個子單元中芯片之間也會產生耦合效應。當IGBT模塊的散熱器對流方向確定時，通過圖2可得，直線型布局方式芯片所對應的熱阻值較小。由于直線型布局方式耦合效應強，交錯式布局方式熱阻值較大，在兩種布局方式的基礎上提出一種準交錯式布局方式，如圖5所示。準交錯式布局方式將芯片交錯排列，其熱耦合效應較低且熱阻值較低。圖5 準交錯式布局方式通過對三種布局方式進行熱仿真，得到其在穩(wěn)定狀態(tài)下的模塊溫度，如圖6所示。 （a）直線型布局 （b）交錯式布局 （c）準交錯式布局 圖6 熱仿真結果 從圖8中可以看出，直線布局中的IGBT芯片雖然處在一條直線上，通過改變主端子位置其芯片間距較大，雖然集成了分流器，其穩(wěn)定工作時的溫度比傳統(tǒng)布局低，具有較強的工作穩(wěn)定性以及較長的使用壽命；交錯布局雖然耦合效應較小，但由于其芯片位置造成熱阻值較高，三種布局方式中溫度最高，準交錯布局同前兩種布局相比，通過對芯片位置優(yōu)化，有效的降低了芯片之間的熱耦合效應以及熱阻，使得模塊在穩(wěn)定工作狀態(tài)時溫度在四種布局中最低，如圖8c所示。4結論對集成分流器的IGBT模塊中DBC基板芯片兩種布局方式直線型布局及交錯式布局方式進行熱耦合及熱阻分析，得到了一種新的準交錯式布局方式，并通過ANSYS熱仿真對比三種布局方式熱穩(wěn)定時的溫度，驗證了新布局方式熱性能更好，具有更低的穩(wěn)態(tài)工作溫度。參考文獻：1.Dr.-Ing.Arendt Wintrich,Dr.-Ing. Ulrich Nicolai,Dr. techn. Werner Tursky.Application Manual Power Semiconductors M.Germany,Semikron，2015；2. A. Hefner and D. Blackburn.Thermal Component Models ForElectrothermal Network SimulationJ.IEEE Trans. on Component,Packaging, and Manufacturing Technology, Vol. 17, Sept. 1994.3陳明，胡安，唐勇.絕緣柵雙極型晶體管傳熱模型建模分析J.高電壓技術, 2011,37(2):453-459.4劉國友，吳義伯，徐凝華等.牽引級1500A/3300 V IGBT功率模塊的熱學設計與仿真J.機車電傳動,2013,1(1):34-38.5. Harichandra Lambate, Satej Nakanekar, Sandeep Tonapi. Thermal Characterization of the IGBT Modules Used in Hybrid Electric VehiclesJ. Thermaland Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm), 2014 : 10861091.6.Huang-Kang Tseng and Mei-Ling Wu. Electro-Thermal-Mechanical Modeling of Wire Bonding Failures in IGBTJ. 2013 8th International Microsystems, Packaging,