IGBT模塊及散熱係統的等效熱模型
發布時間:2021-08-23 來源:英飛淩,周利偉 責任編輯:lina
【導讀】數字 IC 的封裝選項(以及相關的流行詞和首字母縮略詞)繼續成倍增加。微處理器、現場可編程門陣列 (FPGA) 和專用定製 IC (ASIC) 等高級數字 IC 以多種封裝形式提供。
功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)作(zuo)為(wei)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)裝(zhuang)置(zhi)的(de)核(he)心(xin)器(qi)件(jian),在(zai)設(she)計(ji)及(ji)使(shi)用(yong)過(guo)程(cheng)中(zhong)如(ru)何(he)保(bao)證(zheng)其(qi)可(ke)靠(kao)運(yun)行(xing),一(yi)直(zhi)都(dou)是(shi)研(yan)發(fa)工(gong)程(cheng)師(shi)最(zui)為(wei)關(guan)心(xin)的(de)問(wen)題(ti)。功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)除(chu)了(le)要(yao)考(kao)核(he)其(qi)電(dian)氣(qi)特(te)性(xing)運(yun)行(xing)在(zai)安(an)全(quan)工(gong)作(zuo)區(qu)以(yi)內(nei),還(hai)要(yao)對(dui)器(qi)件(jian)及(ji)係(xi)統(tong)的(de)熱(re)特(te)性(xing)進(jin)行(xing)精(jing)確(que)設(she)計(ji),才(cai)能(neng)既(ji)保(bao)證(zheng)器(qi)件(jian)長(chang)期(qi)可(ke)靠(kao)運(yun)行(xing),又(you)充(chong)分(fen)挖(wa)掘(jue)器(qi)件(jian)的(de)潛(qian)力(li)。而對功率器件及整個係統的熱設計,都是以器件及係統的熱路模型為基礎來建模分析的,本文對IGBT模塊的等效熱路模型展開基礎介紹,所述方法及思路也可用於其他功率器件的熱設計。
表征熱特性的物理參數有兩個:熱阻R和熱容C,熱阻R是反映物體對熱量傳導的阻礙效果,而熱容Czeshihengliangwuzhisuobaohanreliangdewuliliang。yibanwuzhishangdoutongshicunzairezuhereronglianggetexing,bingqieyouyurezuhererongtexingdetongshizuoyong,youchanshengleshuntairezukangZth的特性。
一般業界有兩種等效熱路模型來描述功率器件的熱特性:連續網絡模型和局部網絡模型,又稱Cauer 模型和Foster模型,或者簡稱T型模型和π型模型。如圖1所示。

(a)連續網絡熱路模型
(也稱Cauer 模型或T型模型)

(b)局部網絡熱路模型
(也稱Foster模型或π型模型)
圖1.兩種熱路模型示意圖


(a)IGBT瞬態熱阻抗曲線 (b)反並聯二極管瞬態熱阻抗曲線
圖2.英飛淩IGBT模塊瞬態熱阻抗曲線(基於Foster模型,示例:FF600R12ME4)
如圖1(a),Cauer模mo型xing的de結jie構gou比bi較jiao真zhen實shi的de反fan應ying出chu真zhen實shi的de熱re阻zu熱re容rong物wu理li結jie構gou。如ru果guo散san熱re係xi統tong中zhong每mei一yi層ceng的de材cai料liao的de特te性xing參can數shu都dou已yi知zhi時shi,可ke以yi通tong過guo理li論lun計ji算suan公gong式shi來lai建jian立li這zhe種zhong模mo型xing。並bing且qie,模mo塊kuai內nei的de每mei一yi層ceng(從芯片、芯片的焊接層、絕緣襯底、襯底焊接層、到底板)都有一對R/C參數來對應,因此通過圖1(a)中的節點就可以得到每層物質的溫度。但對實際係統,在熱傳遞中很難確定熱流在每一層中的分布,因此實際建模時一般不使用Cauer模型。
與Cauer模型不同,圖1(b)中的Foster模型的R/C參數雖然不再與各材料層相對應,網絡節點也沒有任何物理意義,但是該模型中的R/C參數很容易從實際測量得到的瞬態熱阻抗Zth曲線上擬合提取出來,因此該模型往往用於實際建模、仿真計算芯片的結溫。英飛淩IGBT模塊的數據手冊上就分別給出了IGBT芯片與反並聯二極管芯片的Zthjc曲線,以及基於Foster模型回路的四階參數列表(以熱阻ri和時間常數τi對應組合的形式),如圖2所示為英飛淩FF600R12ME4模塊的瞬態熱阻抗曲線。
圖2中給出的:
動態熱阻曲線可表達為:

如果在動態溫升過程中,IGBT模塊的芯片損耗P(t)是已知的,IGBT模塊底板溫度是已知的,則IGBT及二極管芯片的結溫均可由以下公式得出:
那麼IGBT加散熱器的係統建模是用Cauer模型還是Foster模型呢?
用戶經常會想避免測量的花費,從而想利用目前已有的IGBT和散熱器熱參數搭建熱路模型圖。Cauer熱路模型和Foster熱路模型都提供描述了IGBT的結到殼與散熱器到周圍環境的熱傳遞過程。如果要將IGBT和散熱器的模型合並在一起,使用哪個模型更適合呢?
Cauer熱路模型中的IGBT和散熱器:

圖3.合並的係統熱路模型——Cauer模型
Cauer熱路模型中每部分都實際對應各材料層,從而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(類比於電路中的電流)經過一段時間延遲後到達並加熱散熱器。Cauer熱路模型可以通過仿真或者由一個測量的Foster熱路模型變換得到。
通過對整個結構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Cauer模型。但這隻有在包含了某一特定的散熱器時才是可能的,因為散熱器對IGBT裏熱量的傳遞有相互耦合作用的影響,因此也對熱響應時間和IGBT的Rthjc有影響。如果實際中的散熱器與仿真中用的散熱器不一樣,那麼就不能通過仿真來對實際的散熱器進行建模。
在數據手冊中一般會給出Foster熱路模型的參數,因為這是基於測量得到的結果。可以將Foster熱路模型進行數學處理變換為Cauer熱路模型,但是這樣變換的結果卻不是唯一的,因為可以有很多種可能的R/C組合的取值,且變換後新的Cauer熱路模型中的R/C值和節點都沒有明確的物理意義了。一個變換後得到的不能與其它熱路模型對應起來的Cauer熱路模型往往會帶來各種錯誤。
Foster熱路模型中的IGBT和散熱器:

圖4.合並的係統熱路模型——Foster模型
數據手冊裏給出的IGBT的Foster熱路模型是根據采用某一特定散熱器散熱時測量得到的。對於風冷的散熱器,由於模塊中的熱流分布廣泛,因此在測量時有更好更低的Rthjc。而對於水冷散熱器,由於熱流分布受限製,因此測量時得到相對更高的Rthjc。英飛淩在數據手冊中描述模塊特性時,是采用基於水冷散熱器的Foster熱路模型,即采用了相對不利的散熱工作情況來描述模塊熱特性,因此采用這樣的熱特性做係統設計時對模塊有更高的安全係數。
由於IGBT和散熱器的兩個熱路網絡串聯,因此注入芯片的功率——類比於圖4中的電流——沒有延時的立即傳到散熱器上。因此在最初階段,結溫的上升依賴於采用的散熱器的種類,實際上是依賴於散熱器的熱容量。
然而,風冷係統中散熱器的時間常數從幾十到幾百秒,這遠遠大於IGBT本身的大約為1s的時間常數。在這種情況下,散熱器的溫度上升對IGBT溫度隻有很小的影響。而對於水冷係統,這個影響則很大,由於水冷係統的熱容量相對低,即時間常數相對較小。因此,對於“非常快”的水冷散熱器,例如對IGBT基板直接水冷的係統而言,應該測量IGBT加上散熱器的整個係統的Zth。
由於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Cauer熱路模型還是在Foster熱路模型中,隻要IGBT和散熱器的建模和Zth的測量是彼此獨立分開的,IGBT和散熱器的連接使用就可能有問題。而要克服這個問題,則要將IGBT模塊和散熱器做整體熱建模或者實測其瞬態熱阻抗。一個完全沒有問題的IGBT加散熱器係統的建模隻能通過測量熱阻Zthja得到,即同時對通過IGBT的結、導熱膠和散熱器到環境的整個熱量流通路徑進行測量。這就是建立整個係統的Foster熱路模型,通過這個模型就可以準確地算出結溫。
一般散熱器廠商會給出一階的熱平衡時間即3倍的值,用一階分式擬合可表示為公式:
由此得出考慮散熱器熱阻的IGBT結溫計算公式為:
對於散熱器熱平衡時間為幾十秒甚至上百秒的,計算芯片結溫Tvj可不用考慮散熱器的溫升,使用公式(3)即可。如果是係統熱平衡時間是幾秒級的,需要考慮散熱器溫升時可使用公式(5)計算。如需更精確的包括接觸麵導熱矽脂的多階熱阻模型,則需要用實驗標定曲線Zthja來提取其模型。
(來源:英飛淩,作者:周利偉,工業功率控製事業部大中華區應用工程師)
(來源:英飛淩,作者:周利偉,工業功率控製事業部大中華區應用工程師)
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