基于fser法的igb熱阻網(wǎng)絡模型及傳熱特性研究

基于fser法的igb熱阻網(wǎng)絡模型及傳熱特性研究

0熱模型測試原理國外主要能源制造商都在投入大量資金對igb的熱特性進行研究，并取得了許多研究成果。由于中國國內(nèi)不生產(chǎn)igb芯片，因此對igb的熱特性研究較少。在文獻中，我們研究了小型功率矩陣等任職器的熱阻測試。文利用最速下降原理改造的迭代算法得到大功率GTO等效傳熱模型的各個參數(shù)。文研究了晶閘管的熱阻抗。本文概述了IGBT模塊的物理結構、熱阻定義、RC熱網(wǎng)絡電路結構、3種熱模型建模方法及各方法的優(yōu)劣以及提取動態(tài)熱阻抗曲線測試原理。以某型IGBT模塊為具體研究對象,通過理論計算得到其各分層及模塊結殼穩(wěn)態(tài)熱阻值,在ANSYS熱仿真分析環(huán)境下利用有限單元法建立了數(shù)值仿真模型,在所搭建的動態(tài)熱阻抗測試平臺上開展了實驗研究得到實驗測定模型。并分析了仿真和實驗結果,與計算結果進行了對比分析。1igbt模塊熱特性的描述建立IGBT的熱模型相當復雜,主要是因為IGBT模塊封裝是由很多不同材料的層組成。IG-BT模塊分為如圖1所示的7層,國外大量文獻列出了每層材料及其熱物性參數(shù),這些熱物性參數(shù)均是在一定溫度下測得的,而實際上這些材料的熱物性參數(shù)都與溫度有關。不同功率等級的IGBT每層幾何尺寸差別較大。其中2個銅層加之間夾的陶瓷層統(tǒng)稱為直接敷銅陶瓷(directbondedcopper,DBC)。文獻對各層的熱模型進行了建模。IGBT主要以熱阻表征其本身的熱學特性。依據(jù)熱阻定義,結殼熱阻Ric為熱流通道上從芯片到管殼的溫度差(θj-θc)與通道上耗散功率P之比,即根據(jù)電-熱比擬理論,即溫度類比電壓、熱流量類比電流、熱阻類比電阻、熱阻抗類比電阻抗、熱容類比電容,于是IGBT模塊熱特性通常采用圖2、3等效RC電路來描述。圖2所示局部網(wǎng)絡即Foster電路結構,它是通過對仿真或實驗測得的動態(tài)熱阻抗曲線的指數(shù)級數(shù)擬合得到各階RC環(huán)的熱特性參數(shù),因此不代表實際的物理意義,不反映器件內(nèi)部溫度分布,不能用來預測具體每物理結構層的結溫特性,但該模型簡單,能用于相應分析計算,故一般器件手冊常用該電路結構。圖3所示連續(xù)網(wǎng)絡即Cauer電路結構反映了實際物理層的熱阻、熱容值,用來預測各層溫度,但是很難知道層間準確的熱傳導。該結構可以通過軟件仿真來驗證,但實驗驗證實現(xiàn)上非常困難。Cauer電路與Foster電路是相互等效的。由傳熱學可知,熱量傳遞有3種基本方式:傳導、對流和輻射。IGBT模塊內(nèi)部各層之間存在熱量的傳導,模塊與外部環(huán)境存在對流和輻射。在這里我們只考慮占主導作用的垂直方向的熱傳導,忽略側向熱傳導、對流和輻射作用。因此建立起IGBT模塊的熱模型即是解決分層間垂直方向的熱傳導問題。熱模型建模方法分為解析模型法、數(shù)值模型法及試驗提取等效RC熱網(wǎng)絡模型法。解析模型法是有一定自由度的簡單模型,但一般只能用于解決基于很多理想假設的簡單情形問題,理論估算法簡單方便,但很粗略,只適用于對每層的平均溫度進行估算。數(shù)值模型法精確,可得到精確的溫度場分布,但需要做出待仿真模塊的3D模型且需要選擇合適的網(wǎng)格劃分。試驗提取等效RC熱網(wǎng)絡是經(jīng)驗模型,易于通過開展試驗實現(xiàn)驗證,優(yōu)點在于能夠快速計算模塊損耗,便于實現(xiàn)實時仿真。要獲得更為精確的二維溫度場分布,必須采用紅外熱成像儀對芯片表面溫度進行探測,這就要求打開IGBT模塊封裝,但實驗驗證時通過紅外探測打開外殼、且未覆蓋硅膠的IGBT工作結溫,其溫度上升的同時也向外輻射熱量,而實際工作時由于硅膠的阻擋熱量幾乎全部向下面的基本進行傳遞,這樣就會存在一定程度的熱量散失,因此實驗測得的結溫與實際工作狀態(tài)下的結溫會有一定偏差,且小于實際值,具體偏差的幅度需要考慮向上熱傳導及熱輻射損失后進行估算,之后考慮加上對應相應的補償。2igbt模塊熱阻計算由傳熱學的理論,而將熱流通道看成傳輸線,可得到如式(2)、(3)所示的每層等效材料熱阻Rth和熱容Cth計算表達式為:式中,d為熱傳導方向上材料的長度;A為每層的面積;λ為材料的導熱系數(shù);c為材料的定壓比熱容;ρ為材料的密度。利用國內(nèi)某封裝廠家提供的其組裝的某型1200V/50AIGBT相關參數(shù)代入式(2)、(3),可得表1。由表1可得,該型IGBT模塊各分層封裝的Cauer電路圖,結殼穩(wěn)態(tài)熱阻值為0.16°C/W。利用文獻介紹的方法可得到對應的Foster電路圖。按照相關專著和文獻經(jīng)驗值,按照一般電子器件熱輻射占所有散失熱量的10%來計算,于是考慮熱輻射部分散失的熱量,結殼熱阻值增加0.02?？紤]上述計算獲得的是模塊的材料熱阻,而層間的接觸熱阻沒有加入進去。通過查閱相關專著和文獻,得到在常規(guī)的壓力和表面粗糙度下的層間具有代表性的接觸熱阻值,通過計算獲得層間的接觸熱阻值,結殼熱阻值增加0.02。綜上,材料熱阻值加上熱輻射部分對應的熱阻值和層間接觸熱阻值,可得結殼穩(wěn)態(tài)熱阻值為0.20。3有限元法fem的數(shù)值模擬模型3.1模型假設及熱分析采用有限元分析軟件ANSYS對IGBT的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)傳熱過程進行計算。計算前首先建立其幾何模型。在幾何模型中做出如下假設:(1)由于鋁絲鍵合線的直徑相對模塊芯片下方的焊料層的長度、寬度尺寸來說可忽略,且加上灌裝的硅膠的影響,因此可將IGBT產(chǎn)生的熱量沿鋁絲傳導的部分忽略,而完全由其下方的焊料導出,則將鋁絲鍵合線忽略。(2)認為焊料層中無缺陷存在,所有的焊料層都是均勻的。(3)在建立單IGBT芯片熱模型時,暫不考慮其它IGBT芯片及二極管的發(fā)熱,即暫不考慮芯片間的耦合效應。在基于上述幾何模型假設的情形下,在SolidWorks里做好的IGBT模塊的三維結構圖導入ANSYSWorkbench熱仿真環(huán)境,利用基于網(wǎng)格劃分的有限元法(finiteelementmethod,FEM),進行二維溫度場熱仿真分析。仿真環(huán)境邊界條件設置為,環(huán)境溫度為22°C,基板溫度為23.5°C,加熱電流為20A,通態(tài)飽和壓降設置為通過具體試驗測試得到的1.29V。經(jīng)網(wǎng)格劃分后為50177個單元,192256個節(jié)點。3.2工作系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結溫仿真得到的模塊芯片表面的二維溫度場分布云圖如圖4所示,高溫區(qū)域為IGBT模塊芯片。仿真結溫,即芯片表面最高工作溫度上升曲線如圖5所示。由圖5可知,結溫穩(wěn)態(tài)值為29.1°C,于是可以通過計算得到結殼間的穩(wěn)態(tài)熱阻值為當功率器件工作在開關模式之中時,其峰值結溫與平均結溫有一定的差別。在電流脈沖的持續(xù)時間較長,占空比也較高的情況下,峰值結溫有可能非常接近平均結溫。因此上述得到的結殼穩(wěn)態(tài)熱阻值接近理論計算值,但存在一定程度的偏差。4實驗測試方法4.1igbt芯片熱性能測試的工作原理由式(1)可知,為了測定IGBT的結殼熱阻必須確定式(1)中的3個參數(shù),而結溫則是測量中的重點。測量結溫有熱電偶法、打開封裝熱成像法、電氣熱敏參數(shù)法等。在不超過一定溫度范圍內(nèi),IGBT芯片的某些參數(shù)和溫度之間存在著近似線性的關系?？梢岳眠@些參數(shù)和溫度的關系間接得到結溫。目前國際上通用的規(guī)范常用IGBT芯片小電流條件下的VCE作熱敏參數(shù)。4.2采樣電流的選取結溫與采樣小電流之間的線性關系是基于一些特定的條件假設,所以對每個特定的器件和封裝都需要進行校正。采樣電流一般取0.1A。之所以選如此小的采樣電流是在小采樣電流下熱敏參數(shù)與結溫呈負溫度系數(shù)關系,可以防止由于結溫上升而導致的自加熱。結溫與熱敏參數(shù)之間的定標電路如圖6所示。4.3大電流源電流測量提取動態(tài)熱阻抗曲線測試電路如圖7所示,i為采樣小電流源,提供集電極直流小電流,該小電流足以使VCE超過其飽和值,I為加熱大電流。二極管D為防止采樣小電流通過大電流源回路分流。將待測模塊固定在散熱器上,開通大電流源,在導通電流的同時采用電壓表和溫度表測量VCE和底板溫度即外殼溫度θc。測試時刻由加熱大電流源導通狀態(tài)轉換到小電流源導通,由已測得的定標曲線和實際測到的只通采樣小電流時的VCE值可推算出該時刻結溫,綜合以上測試數(shù)據(jù)計算得到該時刻的瞬時熱阻抗值。4.4結構熱阻測試依據(jù)動態(tài)熱阻抗曲線提取原理,搭建的試驗測試平臺如圖8所示,該平臺所有測試儀器均采用Labview8.5來自動程控控制。待測試模塊及模塊冷卻方式如圖9所示,測試過程中利用水冷以保持模塊管殼溫度基本恒定。圖10為通過溫度定標實驗獲得的某型1200V/50AIGBT的溫度校正曲線。測試時的采樣小電流是0.1A。我們在恒溫烘箱里將測試模塊從40°C加熱到150°C,一共取12個溫度點來測得。將圖10中的數(shù)據(jù)通過最小二乘法擬合,得到如下結溫與飽和通態(tài)壓降之間的校正曲線為圖11為提取到的該型IGBT的動態(tài)熱阻抗曲線圖。測試條件是:加熱大電流為80A,采樣小電流為0.1A,每10s取樣1次。由圖11可得該型IGBT的結殼穩(wěn)態(tài)熱阻值在80A時為0.22°C/W。在不同加熱電流下等效結殼穩(wěn)態(tài)熱阻的測試結果如表2所示。由表2可得該型IGBT模塊結殼穩(wěn)態(tài)熱阻試驗測試值約為0.20°C/W。上述測試結果略有波動,主要是由于材料導熱系數(shù)隨溫度升高而增大所引起的。由圖11提取到動態(tài)熱阻抗曲線,對其進行曲線擬合,可得該模塊相應的7階Foster熱網(wǎng)絡模型,如表3所示。表3中7層熱阻、熱容值可參照表1來看,但不存在與模塊具體物理層的對應關系。傳熱模型建模研究總結如表4所示。5關于模型的建模和研究假設1)傳熱模型有理論計算模型、數(shù)值仿真計算模型及實驗測定模型。理論計算模型是有一定自由度的簡單模型;數(shù)值仿真模型精確,可得到精確的溫度場分布;實驗測定模型通過實驗提取模塊的動態(tài)熱阻抗曲線并擬合來得到等效RC熱網(wǎng)絡傳熱模型。2)由理論計算模型得到某型IGBT該模塊的7層及總結殼穩(wěn)態(tài)熱阻值,建立了7層Cauer熱網(wǎng)絡模型,并通過加入層間接觸熱阻值和熱輻射散失的熱量修正了該模型,可實現(xiàn)對每層溫度的直接預測3)利用FEM建立了模塊的數(shù)值仿真計算模型,獲得模塊的溫度場分布和最高結溫的瞬變過程穩(wěn)態(tài)結殼熱阻值。4)通過開展實驗提取結殼動態(tài)熱阻抗曲線建立了模塊的7層Foster熱網(wǎng)絡模型,數(shù)值仿真?zhèn)鳠崮Ｐ秃蛯嶒灉y定傳熱模型驗證了理論計算傳熱模型。5)本文所開展的IGBT傳熱模型建模研究對該類電力電子器件熱模型建模研究及散熱設計具有一定的指導意義。絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolatransistor,IGBT)在電能變換和處理的電力電子置中得到越來越廣泛的應用,隨著IGBT功率等級功率密度和開關頻率的提高,IGBT的工作性能長期可靠性的受熱影響會越來越大。IGBT作時會產(chǎn)生一定的功率損耗(包括通態(tài)損耗和開損耗),這些能量相當于一個內(nèi)部熱源,使結溫升高,改變器件內(nèi)部溫度分布。IGBT芯片一般是由硅材料制作而成,額定工作結溫一般為150°C,目前已有額定工作結溫為175°C的模塊。當結溫過高時芯片性能就會降級,甚至造成永久性損壞,文獻提出近60%的器件失效是由溫度引起,在正常工作溫度范圍內(nèi),溫度每上升10°C,器件失效概率以近2倍的速率上升。因此需要通過各種散熱設計使結溫控制在安全工作溫度范圍內(nèi)。但這對于器件長期可靠性工作還是不夠的,因為IGBT在工作時會隨著負載的變動溫度發(fā)生波動,并且器件內(nèi)部各層材料的熱膨脹系數(shù)不同,導致機械應力的產(chǎn)生,使得鍵接線可能脫離焊片,使器件失效。因此目前在電力電子設