DBC基板集成分流器的IGBT模块热分析.doc

DBC基板集成分流器的IGBT模块热分析 韩立业2，杨媛1，高勇1,2，孟昭亮1,2（1.西安理工大学，自动化与信息工程学院，陕西，西安，710048；2.西安工程大学，电子信息学院，陕西，西安，710048）摘要：IGBT模块在工业生产中应用十分广泛，但是在使用过程中常常因为过流造成器件损坏，测量IGBT模块内部电流的方式多种多样，以1200V/800A IGBT模块为例，采用内部集成分流器方法测量电流为模块提供保护。由于模块内部集成了分流器，需对IGBT模块中的DBC基板重新布局，本文提出了一种新型集成分流器的准交错式DBC布局方式。DBC基板上芯片（IGBT、二极管和分流器）布局影响整个模块的热性能，通过对芯片之间热耦合以及模块热阻进行IGBT模块热分析，并利用ANSYS软件对集成分流器IGBT模块进行热稳态仿真，验证新型布局的可行性。关键词：集成分流器，DBC布局，耦合效应，热仿真1. 前言IPM（Intelligent Power Module）即智能功率模块，不仅在功率模块内部集成过电流、过电压、过温等故障检测电路，并将检测信号传送给CPU，并且将驱动电路和散热器与功率模块连接在一起。IPM以其高可靠性，非常适合驱动电机的变频器和各种逆变电源等大功率应用场合。IGBT过电流保护方式有很多，包括：分流器、电流传感器、栅极电压测量、检测以及测量等。电流传感器的体积较大，不易使用在内部集成中；栅极电压测量、检测以及检测方式均是在功率模块外部搭设外部电路，受外部因素影响较多；而内部集成分流器可以准确、有效测量功率模块电流，并将测量信号传送给CPU，并且可以将由分流器损耗产生的热能直接散发到散热器上。由于功率模块内部集成了分流器，需要对DBC基板上芯片重新布局。针对1200V/800A 等级IPM内部DBC基板上芯片布局进行研究。在原有1200V/800A IGBT模块基础上集成分流器构成IPM的功率单元，优化功率模块单元DBC基板上芯片布局结构，对集成分流器功率单元进行热分析。对现有几种DBC基板上芯片布局分析进行热分析，提出一种新的交错式DBC布局方式。并通过对集成分流器的功率模块内部结构进行建模，即利用ANSYS软件对其进行热稳态仿真，根据热仿真结果对比几种布局方式下的模块稳定工作时的温度，验证交错式布局方式的可行性。2. 功率模块研究智能功率模块（IPM）由三个部分组成：驱动单元、功率单元及冷却单元。研究的功率单元是在ABB 1200V/800A IGBT模块基础上内部集成分流器构成的。在原有IGBT模块内部集成分流器来检测模块内部电流，并通过端子与控制端连接，构成IPM中的功率单元。由于集成了分流器，需要对DBC上的芯片进行重新布局，并对其进行热性能研究、电性能研究，由于功率模块中每只IGBT都是有两个子单元组成的，在对模块性能进行研究时，只需对一只IGBT即两个子单元研究就可。2.1热性能研究热性能是功率模块的一个重要指标，文献4通过对传统IGBT模块进行等效热阻电路研究，分析了在模块结构不变的前提下如何通过减小模块热阻来提升模块热性能，增强模块散热性。文献5利用ANSYS仿真软件对IGBT模块进行热仿真，通过对IGBT模块中不同材料、厚度等改变，不断对IGBT模块热性能进行优化。文献6对功率模块中键合线进行研究，通过ANSYS软件分析了键合线在高温工作及大电流条件下的机械强度，是否出现连接键断裂。由于功率模块内部集成了分流器，为了得到热性能更好地布局方式，通过ANSYS软件对DBC上芯片热耦合、芯片不同位置对应的热阻以及不带铜底板时模块整体热阻等方面对功率模块热性能进行研究。 由于DBC尺寸较小，必须考虑芯片之间的热耦合温度，当芯片之间的距离在一定的范围内，芯片的温度会随着热耦合而上升4。芯片间距离范围一般可用公式1得到： 式1 其中：a为芯片间耦合距离；为芯片面积。根据上述公式，可以计算出当芯片面积为144时，其距离应为7.2。在相同的外部条件下对不同间隔距离（0，1，6）的芯片进行热仿真，其仿真结果如图1所示。图1 不同间隔距离热仿真从热仿真结果可以看出，在相同外部条件下，随着发热源之间距离的缩小，芯片温度越来越高，芯片的热耦合效应越明显。IPM功率模块中IGBT芯片是主要的生热源，因此在对DBC基板上芯片进行布局时应充分考虑到芯片之间的间隔距离，合理的芯片间距有利于降低整个模块的工作温度，提升模块工作稳定性。大功率工作条件下，散热片已经不能满足功率单元的散热要求，IPM将功率单元与散热器集成在一起，大大提高了智能模块的散热能力，随着模块散热能力的提升。模块的结-壳热阻是最能反映出功率模块的热学性能，热阻大小主要由散热器上分布的热源数量决定，同时也受到热源位置以及散热器对流流动方向的影响。由于本文研究的功率单元中IGBT芯片数量是一定的，此时影响热阻的主要因素是热源位置以及散热器对流流动方向，图2给出了在散热器对流方向一定时，DBC上热源不同位置所对应的热阻大小。图2 芯片在DBC不同位置热阻值从图中可以得到，在散热器的边缘是最没效果的位置，因为热扩散顺着对流流动方向散热要比逆着对流流动方向效果要好，当芯片位于与散热器的对流流动方向一直方向时，其热阻最小，具有良好热传导行。3. DBC布局优化目前IGBT模块中的DBC基板芯片布局方式主要有三种方式，即上述传统布局方式、直线型布局方式和交错式布局方式。通过DBC基板上集成分流器检测IGBT模块内部电流，由于传统布局方式中主端子占据了DBC基板上一大部分空间，使用该种方式集成分流器时将大大增加DBC基板面积，从而增加了整个模块的体积，而直线型布局方式和交错式布局方式通过改变主端子连接方式，大大减小了主端子占据的面积，有利于内部集成分流器。DBC基板上集成分流器后的IGBT模块子单元如图3、4所示。直线型布局方式即DBC基板上的芯片处于一条直线排列，交错式布局方式即DBC基板上的IGBT芯片与续流二极管交错排列。 图3 直线型布局方式 图4 交错式布局方式 通过对芯片耦合及芯片在DBC基板上不同位置的热阻值分析可知，直线型布局方式中由于芯片处于一条直线上，芯片之间容易产生耦合效应，造成模块整体温度升高。而交错式布局方式通过将相邻的芯片交错布局，降低了芯片之间的耦合效应，但是由于一只IGBT模块是由两个子单元组成的，相邻两个子单元中芯片之间也会产生耦合效应。当IGBT模块的散热器对流方向确定时，通过图2可得，直线型布局方式芯片所对应的热阻值较小。由于直线型布局方式耦合效应强，交错式布局方式热阻值较大，在两种布局方式的基础上提出一种准交错式布局方式，如图5所示。准交错式布局方式将芯片交错排列，其热耦合效应较低且热阻值较低。图5 准交错式布局方式通过对三种布局方式进行热仿真，得到其在稳定状态下的模块温度，如图6所示。 （a）直线型布局 （b）交错式布局 （c）准交错式布局 图6 热仿真结果 从图8中可以看出，直线布局中的IGBT芯片虽然处在一条直线上，通过改变主端子位置其芯片间距较大，虽然集成了分流器，其稳定工作时的温度比传统布局低，具有较强的工作稳定性以及较长的使用寿命；交错布局虽然耦合效应较小，但由于其芯片位置造成热阻值较高，三种布局方式中温度最高，准交错布局同前两种布局相比，通过对芯片位置优化，有效的降低了芯片之间的热耦合效应以及热阻，使得模块在稳定工作状态时温度在四种布局中最低，如图8c所示。4结论对集成分流器的IGBT模块中DBC基板芯片两种布局方式直线型布局及交错式布局方式进行热耦合及热阻分析，得到了一种新的准交错式布局方式，并通过ANSYS热仿真对比三种布局方式热稳定时的温度，验证了新布局方式热性能更好，具有更低的稳态工作温度。参考文献：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陈明，胡安，唐勇.绝缘栅双极型晶体管传热模型建模分析J.高电压技术, 2011,37(2):453-459.4刘国友，吴义伯，徐凝华等.牵引级1500A/3300 V IGBT功率模块的热学设计与仿真J.机车电传动,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,