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(xué)，自動化與信息工程學(xué)院，陜西，西安，710048；2.西安工程大學(xué)，電子信息學(xué)院，陜西，西安，710048）摘要：IGBT模塊在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)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(nèi)部電流的方式多種多樣，以1200V/800A IGBT模塊為例，采用內(nèi)部集成分流器方法測量電流為模塊提供保護(hù)。由于模塊內(nèi)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(zhǔn)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(jìn)行IGBT模塊熱分析，并利用ANSYS軟件對集成分流器IGBT模塊進(jìn)行熱穩(wěn)態(tài)仿真，驗證新型布局的可行性。關(guān)鍵詞：集成分流器，DBC布局，耦合效應(yīng)，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(nèi)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(qū)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(qū)動電機(jī)的變頻器和各種逆變電源等大功率應(yīng)用場合。IGBT過電流保護(hù)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(nèi)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(shè)外部電路，受外部因素影響較多；而內(nèi)部集成分流器可以準(zhǔn)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(chǎn)生的熱能直接散發(fā)到散熱器上。由于功率模塊內(nèi)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(nèi)部DBC基板上芯片布局進(jìn)行研究。在原有1200V/800A IGBT模塊基礎(chǔ)上集成分流器構(gòu)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(jié)構(gòu)，對集成分流器功率單元進(jìn)行熱分析。對現(xiàn)有幾種DBC基板上芯片布局分析進(jìn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，即利用ANSYS軟件對其進(jìn)行熱穩(wěn)態(tài)仿真，根據(jù)熱仿真結(jié)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(qū)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(chǔ)上內(nèi)部集成分流器構(gòu)成的。在原有IGBT模塊內(nèi)部集成分流器來檢測模塊內(nèi)部電流，并通過端子與控制端連接，構(gòu)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(jìn)行重新布局，并對其進(jìn)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(jìn)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(biāo)，文獻(xiàn)4通過對傳統(tǒng)IGBT模塊進(jìn)行等效熱阻電路研究，分析了在模塊結(jié)構(gòu)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(qiáng)模塊散熱性。文獻(xiàn)5利用ANSYS仿真軟件對IGBT模塊進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)6對功率模塊中鍵合線進(jìn)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(jī)械強(qiáng)度，是否出現(xiàn)連接鍵斷裂。由于功率模塊內(nèi)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(yīng)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(jìn)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(dāng)芯片之間的距離在一定的范圍內(nèi)，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(dāng)芯片面積為144時，其距離應(yīng)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(jìn)行熱仿真，其仿真結(jié)果如圖1所示。圖1 不同間隔距離熱仿真從熱仿真結(jié)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(yīng)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(jìn)行布局時應(yīng)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(jīng)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(jié)-殼熱阻是最能反映出功率模塊的熱學(xué)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(yīng)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(kuò)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(dāng)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(dǎo)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)生耦合效應(yīng)，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(yīng)，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(chǎn)生耦合效應(yīng)。當(dāng)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(yīng)的熱阻值較小。由于直線型布局方式耦合效應(yīng)強(qiáng)，交錯式布局方式熱阻值較大，在兩種布局方式的基礎(chǔ)上提出一種準(zhǔn)交錯式布局方式，如圖5所示。準(zhǔn)交錯式布局方式將芯片交錯排列，其熱耦合效應(yīng)較低且熱阻值較低。圖5 準(zhǔn)交錯式布局方式通過對三種布局方式進(jìn)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(zhǔn)交錯式布局 圖6 熱仿真結(jié)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(qiáng)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(yīng)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(zhǔn)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(yīng)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(jié)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(jìn)行熱耦合及熱阻分析，得到了一種新的準(zhǔn)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(xiàn)：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(shù), 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(xué)設(shè)計與仿真J.機(jī)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,