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(lái)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(shí)的物理傳導(dǎo)過(guò)程。當(dāng)已知器件的每層的材料特性時(shí)，就能夠建立這個(gè)模型。然而，要畫(huà)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(dú)立的RC單元來(lái)表示。因此從熱路模型的各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就能夠獲得每層材料的內(nèi)部溫度。圖 2

2、: 局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型 (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(duì)應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有任何物理意義。本應(yīng)用手冊(cè)是用該模型，因?yàn)橄禂?shù)很容易從已測(cè)得的散熱曲線中得到，因此該模型往往用于解析計(jì)算模塊的溫度分布。在本應(yīng)用手冊(cè)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(gè)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(shí)際應(yīng)用中，基板和散熱片的溫度不是總能簡(jiǎn)化假設(shè)為恒定值，因?yàn)榕c散

3、熱片的時(shí)間常數(shù)相比，負(fù)載周期的時(shí)間不是短到可以忽略的。對(duì)于非固定的工作環(huán)境，要對(duì)Tcase(t )進(jìn)行測(cè)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(píng)估最惡劣情況下的溫度時(shí)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(gè)階躍的功率輸入到IGBT中時(shí)將導(dǎo)致通過(guò)導(dǎo)熱膠的溫度隨即上升，并因此將導(dǎo)致實(shí)際器件中不存在的結(jié)溫升高。有兩種方法可以避開(kāi)這個(gè)問(wèn)題：1) 如果散熱片的Zth 可以通過(guò)測(cè)量得到，應(yīng)當(dāng)用基板的溫度Tcase來(lái)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(cè)量中，這樣就不必再單獨(dú)分開(kāi)考慮。2) 如果

4、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(cè)量得到，從而根據(jù)圖3計(jì)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(huì)想避免測(cè)量的花費(fèi)，而想利用目前已有的IGBT和散熱片熱參數(shù)畫(huà)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(guò)程。如果要將IGBT和散熱片的模型合并在一起，就會(huì)出現(xiàn)要用哪個(gè)模型的問(wèn)題，特別是如果IGBT與散熱片的熱特性是分別獨(dú)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接的各材料層的模型使得熱傳遞過(guò)程物

5、理意義清晰，即各材料層是逐層傳遞熱量的。熱量流動(dòng)類比于電路中的電流經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延遲后到達(dá)并加熱散熱片。連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型可以通過(guò)仿真或者由一個(gè)測(cè)量的局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型變換得到。通過(guò)對(duì)整個(gè)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(gè)模型。但這只有在包含了某一特定的散熱片時(shí)才是可能的，因?yàn)樯崞瑢?duì)IGBT里熱量的傳遞有著相互耦合作用的影響，因此也對(duì)熱響應(yīng)時(shí)間和IGBT的Rthjc有影響。如果實(shí)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(guò)仿真來(lái)對(duì)實(shí)際的散熱片進(jìn)行建模。在數(shù)據(jù)手冊(cè)中一般會(huì)給出局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型的參數(shù)，因?yàn)檫@是基于測(cè)量得到的結(jié)果，以及提供的Zthjc可作為近似的數(shù)據(jù)用。將局

6、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(gè)變換中，對(duì)于一個(gè)Rth/C比值會(huì)存在很多對(duì)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(diǎn)都沒(méi)有明確的物理意義了。一個(gè)變換后得到的不能與其它連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型對(duì)應(yīng)起來(lái)的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型會(huì)帶來(lái)各種錯(cuò)誤。局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型中的IGBT和散熱片數(shù)據(jù)手冊(cè)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(shí)測(cè)量得到的。對(duì)于風(fēng)冷的散熱片，由于模塊中的熱流分布廣泛，因此在測(cè)量時(shí)有更好更低的的Rthjc。而對(duì)于水冷散熱片，由于熱流分布受限制，因此測(cè)量時(shí)得到相對(duì)更高的Rthjc。英飛凌在數(shù)據(jù)手冊(cè)中描述模塊特性時(shí)，是采用基于水冷散熱片

7、的局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型，即采用相對(duì)比較不利的散熱工作情況來(lái)描述模塊熱特性的，因此采用這樣熱特性時(shí)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(gè)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(méi)有延時(shí)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(shí)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(shí)間常數(shù)從幾十到幾百秒，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于IGBT本身的大約為1s的時(shí)間常數(shù)。在這種情況下，散熱片的溫度上升對(duì)IGBT溫度只有很小程度的影響。而對(duì)于水冷系統(tǒng)，這個(gè)影響則很大，由于水冷系統(tǒng)的熱容量相對(duì)低，即時(shí)間常數(shù)相對(duì)低。對(duì)于“非?？臁钡乃渖崞?，即對(duì)IGBT基板直接水

8、冷的系統(tǒng)而言，應(yīng)該測(cè)量IGBT加上散熱片的整個(gè)系統(tǒng)的Zth。由于對(duì)模塊中的熱量傳遞有耦合相互作用的影響，因此無(wú)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(cè)量是彼此獨(dú)立分開(kāi)的，IGBT和散熱片的連接使用就不可能沒(méi)有問(wèn)題。一個(gè)完全沒(méi)有問(wèn)題的IGBT加散熱片系統(tǒng)的建模只能通過(guò)測(cè)量熱阻Zthja得到，即同時(shí)對(duì)通過(guò)IGBT的結(jié)、導(dǎo)熱膠和散熱片到環(huán)境的整個(gè)熱量流通路徑進(jìn)行測(cè)量。這就是建立整個(gè)系統(tǒng)的局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型，通過(guò)這個(gè)模型就可以準(zhǔn)確地算出結(jié)溫。下面介紹結(jié)溫的測(cè)量原理。熱阻抗曲線的測(cè)量例: 3.3kV的模塊，帶有140x190 m的基板圖 6: 基板溫度測(cè)量點(diǎn)

9、的位置給模塊通電流，那么就給模塊加了一個(gè)恒定功率P，因此經(jīng)過(guò)一段暫態(tài)時(shí)間后，模塊結(jié)溫上升到一個(gè)穩(wěn)態(tài)固定值。關(guān)掉電源后，記錄模塊的冷卻過(guò)程溫度。在冷卻過(guò)程中，給模塊加一個(gè)規(guī)定的測(cè)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(guò)測(cè)量得到的飽和導(dǎo)通電壓經(jīng)過(guò)定標(biāo)曲線Tj = f(VCE Iref)得到。在這之前，通過(guò)外部對(duì)待測(cè)試模塊的均勻加熱，測(cè)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(guò)測(cè)量流過(guò)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(jiàn)紅色標(biāo)記）的基板溫度是通過(guò)壓力傳感器測(cè)量得到的。測(cè)量得到的基板平均溫度Tcase之后用于分別計(jì)算二極管和IGBT芯片的Zthjc =(Tj-Tcase) / P。溫度測(cè)量時(shí)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(guò)散熱片上三個(gè)藍(lán)色點(diǎn)的測(cè)量值計(jì)算得到。不過(guò)，測(cè)量Zthja ，即從結(jié)到