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IGBT封装模块散热特性的研究

潘洋  
【摘要】:绝缘栅双极晶体管,IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),具有开关速度快、输入阻抗高、饱和电压低、反向恢复时间短等显著特点。目前,电力电子IGBT封装模块在国民经济中的作用越来越明显,广泛应用于风能、太阳能、轨道交通、电动汽车、智能电网、家电变频等领域。IGBT封装模块已日益成为目前世界学术界及工业领域研究的热点。随着市场对IGBT模块的需求增加,IGBT模块在性能、工艺、功率密度、可靠性等方面均取得了较大的发展,但随着功率密度的增加,IGBT模块的失效也日益明显。因此对IGBT封装模块内部的传热规律进行研究,设计简单高效的散热装置对解决内部的传热问题,提高模块的性能和可靠性有着极其重要的意义。 本文介绍了传热学基本原理,大功率器件封装模块热量传递机理及失效原因。同时也介绍了大功率器件的主要散热方式及发展现状。以传统IGBT封装结构为模型,以有限元软件ANSYS为平台,建立模型,分析了内部结构芯片散热的影响。通过测试发现,当芯片分布均匀时,散热效果最好;DCB陶瓷层采用导热系数较高的材质时,芯片散热效果较为理想;DCB衬板水平面积的改变对芯片散热的影响可忽略;在小范围内,芯片结温随底铜板厚度增加而下降,之后芯片结温随厚度增加而升高。因此对于每个模块封装,都存在一个底铜板“最佳厚度”使得芯片结温最低。最后简化模型重点分析DCB衬板层对“最佳厚度”的影响,发现,对于任一相同厚度的底铜板而言,随着DCB衬板厚度的增加,芯片结温越来越低;就底铜板“最佳厚度”而言,随着DCB衬板厚度的增加,底铜板的“最佳厚度”也越来越小。 为讨论ANSYS建立模型的合理性,通过实际测试和理论计算分别进行了验证。拆解某商用IGBT模块,分析内部结构,在ANSYS平台上基于该结构对IGBT建模,施加相关载荷,经求解,得出芯片结温为72.20℃,底铜板温度约为51℃。将另一同等IGBT模块在同等条件下工作,测得底铜板平均温度为49.6℃,利用导通压降VC-E呈负温度系数特性,通过测量通态压降得出芯片结温为70℃。最后利用热电耦合原理,基于已测得的底铜板温度,经计算得出芯片结温73.4℃。结果发现。以实际测试值为参考,ANSYS仿真和理论验证的芯片结温误差率分别为3.14%和4.8%。因此,利用ANSYS仿真平台和理论计算具有一定的可信性,在IGBT模块制造领域具有重要的参考性。


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