IGBT模塊的等效熱路模型

1、IGBT 模塊的等效熱路模型引言半導(dǎo)體器件的熱特性可以使用不同的等效熱路模型來描述：圖1:連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型(Continued fraction circuit,也稱作Cauer模型,T模型或梯形網(wǎng)絡(luò))連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型(Continued fraction circuit)反應(yīng)了帶有內(nèi)部熱阻的半導(dǎo)體器件的熱容量真實的物理傳導(dǎo)過程。當(dāng)已知器件的每層的材料特性時，就能夠建立這個模型。然而，要畫出 每層材料上的熱路圖是十分麻煩的。模塊的每一層（芯片、芯片的連接部、基片、基片連接部、底板）都可以用相應(yīng)獨立的 RC 單元來表示。因此從熱路模型的各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就能夠獲得每層材料的內(nèi)部溫度。圖 2: 局部網(wǎng)絡(luò)熱

2、路模型(Partial fraction circuit,也稱作 Foster模型或 pi 模型 )與連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型不同，局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型(Partial fraction circuit)的 RC 部分不再與各材料層對應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點沒有任何物理意義。本應(yīng)用手冊是用該模型，因為系數(shù)很容易從已測得的散熱曲線中得到，因此該模型往往用于解析計算模塊的溫度分布。在本應(yīng)用手冊中，局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型中的系數(shù)是用如表格中的r 和一起表示的。這里舉一個例子：圖 3: 局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型中含輸入功率 P(t), 殼溫 Tcase 和 IGBT 的仿真模型在實際應(yīng)用中，基板和散熱片的溫度不是總能簡化假設(shè)為恒定值，因為

3、與散熱片的時間常數(shù)相比，負載周期的時間不是短到可以忽略的。對于非固定的工作環(huán)境，要對Tcase(t ) 進行測量或者將IGBT 模型與散熱片模型連接?？紤]導(dǎo)熱膠在以上兩種網(wǎng)絡(luò)熱路模型中，在評估最惡劣情況下的溫度時是用導(dǎo)熱膠Rt h 替代常常是未知的導(dǎo)熱膠Zt h 。然而，在局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型中，當(dāng)一個階躍的功率輸入到IGBT 中時將導(dǎo)致通過導(dǎo)熱膠的溫度隨即上升，并因此將導(dǎo)致實際器件中不存在的結(jié)溫升高。有兩種方法可以避開這個問題：1) 如果散熱片的Zth 可以通過測量得到，應(yīng)當(dāng)用基板的溫度Tcase 來代替散熱片的溫度 Ths 。在這種情況下，導(dǎo)熱膠已經(jīng)包含在散熱片的溫度測量中，這樣就不必再單獨分

4、開考慮。2) 如果 IGBT 已經(jīng)搭建，因已知輸入功率損耗P(t) ，則基板的溫度Tcase(t) 可以直接測量得到，從而根據(jù)圖3 計算得到。IGBT 加散熱片用局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型或連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型？用戶經(jīng)常會想避免測量的花費，而想利用目前已有的IGBT和散熱片熱參數(shù)畫熱路模型圖。連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型和局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型都提供描述了IGBT的結(jié)到殼與散熱片到周圍環(huán)境的熱傳遞過程。如果要將IGBT 和散熱片的模型合并在一起，就會出現(xiàn)要用哪個模型的問題，特別是如果IGBT 與散熱片的熱特性是分別獨立給出的。連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型中的IGBT 和散熱片：圖 4: 綜合的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型和模型中相連

5、接的各材料層的模型使得熱傳遞過程物理意義清晰，即各材料層是逐層傳遞熱量的。熱量流動類比于電路中的電流經(jīng)過一段時間延遲后到達并加熱散熱片。連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型可以通過仿真或者由一個測量的局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型變換得到。通過對整個結(jié)構(gòu)的每一層材料分析和有限元建模仿真，很明顯可以建立一個模型。但這只有在包含了某一特定的散熱片時才是可能的，因為散熱片對 IGBT 里熱量的傳遞有著相互耦合作用的影響，因此也對熱響應(yīng)時間和 IGBT 的 Rthjc 有影響。如果實際中的散熱片與仿真中用的散熱片不一樣，那么就不能通過仿真來對實際的散熱片進行建模。在數(shù)據(jù)手冊中一般會給出局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型的參數(shù)，因為這是基于測量得到的結(jié)果

6、，以及提供的Zthjc可作為近似的數(shù)據(jù)用。將局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型變換為連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型是有可能的。在這個變換中，對于一個 Rth/C 比值會存在很多對不同的 Rth 和 C 取值，且變換后新的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型中的 RC 值和節(jié)點都沒有明確的物理意義了。一個變換后得到的不能與其它連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型對應(yīng)起來的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型會帶來各種錯誤。局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型中的 IGBT 和散熱片數(shù)據(jù)手冊里給出的IGBT 的局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型是根據(jù)采用某一特定散熱片散熱時測量得到的。對于風(fēng)冷的散熱片，由于模塊中的熱流分布廣泛，因此在測量時有更好更低的的Rthjc 。而對于水冷散熱片，由于熱流分布受限制，因此測量時得到相對更

7、高的Rthjc 。英飛凌在數(shù)據(jù)手冊中描述模塊特性時，是采用基于水冷散熱片的局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型，即采用相對比較不利的散熱工作情況來描述模塊熱特性的，因此采用這樣熱特性時模塊有更高安全系數(shù)。圖5:合并的局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型由于 IGBT 和散熱片的兩個熱路網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)，因此注入PN 結(jié)的功率類比于電路中的電流沒有延時的立即傳到散熱片。因此結(jié)溫的上升依賴于先前的散熱片的種類，實際上是依賴模塊的熱容量。然而，風(fēng)冷系統(tǒng)中散熱片的時間常數(shù)從幾十到幾百秒，這遠遠大于IGBT 本身的大約為 1s 的時間常數(shù)。在這種情況下，散熱片的溫度上升對IGBT 溫度只有很小程度的影響。而對于水冷系統(tǒng)，這個影響則很大，由于水冷系統(tǒng)的

8、熱容量相對低，即時間常數(shù)相對低。對于“非常快”的水冷散熱片，即對IGBT基板直接水冷的系統(tǒng)而言，應(yīng)該測量IGBT加上散熱片的整個系統(tǒng)的Zth。由于對模塊中的熱量傳遞有耦合相互作用的影響，因此無論是在連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型還是在局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型中，只要IGBT和散熱片的建模和Zth的測量是彼此獨立分開的，IGBT和散熱片的連接使用就不可能沒有問題。一個完全沒有問題的IGBT加散熱片系統(tǒng)的建模只能通過測量熱阻Zthja得到，即同時對通過 IGBT 的結(jié)、導(dǎo)熱膠和散熱片到環(huán)境的整個熱量流通路徑進行測量。這就是建立整個系統(tǒng)的局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型，通過這個模型就可以準(zhǔn)確地算出結(jié)溫。下面介紹結(jié)溫的測量原理。熱阻抗曲

9、線的測量例 : 3.3kV 的模塊，帶有140x190 m的基板圖 6: 基板溫度測量點的位置給模塊通電流，那么就給模塊加了一個恒定功率P，因此經(jīng)過一段暫態(tài)時間后，模塊結(jié)溫上升到一個穩(wěn)態(tài)固定值。關(guān)掉電源后，記錄模塊的冷卻過程溫度。在冷卻過程中，給模塊加一個規(guī)定的測量電流（Iref 約為 1/1000 Inom），并記錄飽和導(dǎo)通電壓或正向電壓。這樣結(jié)溫 Tj(t) 可以通過測量得到的飽和導(dǎo)通電壓經(jīng)過定標(biāo)曲線Tj = f(VCE Iref)得到。在這之前，通過外部對待測試模塊的均勻加熱，測量記錄曲線VCE = f(Tj Iref)，該曲線 與 Tj = f(VCE Iref)相反。圖 7:定標(biāo)曲線，模塊結(jié)溫的是通過測量流過規(guī)定電流的飽和導(dǎo)通壓降然后再由定標(biāo)曲線確定IGBT 和二極管下面（見紅色標(biāo)記）的基板溫度是通過壓力傳感器測量得到的。測量得到的基板平均溫度Tcase 之后用于分別計算二極管和IGBT 芯片的 Zthjc=(Tj-Tcase)/P。溫度測量時數(shù)據(jù)的不均勻和離散必須在安全裕量范圍內(nèi)。模塊表面到散熱片的熱阻可以通過散熱片上三個藍色點的測量值計算得到。不過，測量 Zthja，即從結(jié)到環(huán)