0 引言

    絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)模塊作為中壓,、大功率典型的變流器件,，在能源并網(wǎng)系統(tǒng)中的使用非常廣泛。研究IGBT的可靠性為研究變流裝置的可靠性乃至能源并網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性都有非常重要的意義^[1],。溫度是IGBT模塊最重要的參數(shù),，它不僅影響著IGBT的電學(xué)特性，而且影響著IGBT模塊的可靠性,。以往對(duì)IGBT模塊的溫度參數(shù)分析主要采用電熱耦合仿真的方法,，得到IGBT模塊的結(jié)溫值，但由于結(jié)溫值假設(shè)IGBT模塊的溫度分布是均勻的,，因此是不準(zhǔn)確的,。本文對(duì)于IGBT模塊的溫度參數(shù)運(yùn)用有限元分析方法得到二維溫度場(chǎng)分布圖，比結(jié)溫方法更精確,。且本文考慮到IGBT模塊的在并網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用,，得到了IGBT模塊在該應(yīng)用下的溫度場(chǎng)分布,，為IGBT模塊的在線溫度監(jiān)測(cè)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

1 原理

    IGBT模塊有近60%的失效是由溫度引起的,，溫度每上升10 ℃,，器件失效概率以近2倍的速率上升^[2]。因此研究IGBT模塊的溫度分布對(duì)于研究IGBT模塊的可靠性很重要,。IGBT的溫度升高需要能量,，這個(gè)能量由IGBT模塊的功率損耗提供。由IGBT的結(jié)構(gòu)特性和工作原理可知：IGBT模塊可近似認(rèn)為由MOSFET和PNP晶體達(dá)林頓連接而成,，其單元結(jié)構(gòu)及等效電路如圖1所示,。

    在導(dǎo)通過(guò)程中可近似認(rèn)為和MOSFET的導(dǎo)通過(guò)程一致。同MOSFET一樣導(dǎo)通過(guò)程存在電壓延遲下降時(shí)間,，關(guān)斷過(guò)程存在電壓延遲上升時(shí)間,。導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)程均會(huì)產(chǎn)生功率損耗，并由此引起局部溫升,。

    IGBT的總損耗主要由穩(wěn)態(tài)損耗和暫態(tài)損耗構(gòu)成^[3]如式(1)：

    為了對(duì)IGBT模塊的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行分析,，采用圖2所示的Cauer網(wǎng)絡(luò)對(duì)IGBT模塊的7層結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效^[4]。運(yùn)用電熱比擬理論在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中將7層結(jié)構(gòu)中的每層都等效為一組并聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò),，電流的大小和方向等效于溫度的高低和傳導(dǎo)方向,，最后的電流源T相當(dāng)于環(huán)境溫度。構(gòu)成了IGBT模塊的熱傳導(dǎo)模型,。

2 仿真

    首先在MATLAB里搭建直流并網(wǎng)系統(tǒng)仿真,，如圖3所示，得到IGBT的輸出電壓V_ce波形（圖4）,，在導(dǎo)通過(guò)程中,，集射極電壓下降的過(guò)程分為兩個(gè)部分，第一部分是IGBT中MOSFET單獨(dú)工作時(shí)的電壓下降過(guò)程,，第二部分是MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程,。由于集射極電壓下降時(shí)IGBT中MOSFET的柵極漏電容增加，并且IGBT中PNP晶體管的工作狀態(tài)由放大狀態(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)也需要一個(gè)過(guò)程,，因此此部分電壓下降過(guò)程變緩,。關(guān)斷過(guò)程中，當(dāng)柵極電壓降為0后,，由于載流子的復(fù)合是需要時(shí)間的,，這也就使關(guān)斷電壓的上升過(guò)程變緩。將該波形作為溫度分布仿真中載荷的來(lái)源,，但由于ANSYS仿真軟件本身對(duì)載荷是有要求的,，因此這個(gè)輸出波形需進(jìn)行處理才能作為熱仿真中的載荷。經(jīng)過(guò)多個(gè)單元近似線性得到了如圖4所示波形，但MATLAB里的IGBT模塊作為理想的仿真模塊沒(méi)有考慮寄生電感的作用,。從文獻(xiàn)[5]中可以查出,，正常關(guān)斷過(guò)程中的尖峰電壓約比關(guān)斷時(shí)電壓高出20%。所以在對(duì)載荷進(jìn)行處理時(shí)考慮了尖峰電壓,，得到了如圖5所示的載荷,，作為ANSYS仿真建模里所施加的載荷。

    模塊的熱傳導(dǎo)模型采用IGBT典型的7層結(jié)構(gòu),，如圖6所示,。7層結(jié)構(gòu)自上到下分別是：鍵合線、芯片,、芯片焊接層,、銅鎳層1、陶瓷襯板,、銅鎳層2,、基板焊接層和基板。圖中的箭頭為IGBT模塊的熱傳導(dǎo)方向,。在進(jìn)行計(jì)算前先建立模型,，對(duì)幾何模型做出如下假設(shè)：

    (1)在這個(gè)剖面圖中沒(méi)有考慮門極,，因?yàn)殚T極和芯片不在同一個(gè)襯板上,，且門極電壓值遠(yuǎn)小于模塊的集射極電壓值，所以此次建模不考慮門極電壓作用產(chǎn)生的溫度場(chǎng),；

    (2)IGBT模塊內(nèi)部各層之間存在熱量的傳導(dǎo),，模塊與外部環(huán)境存在對(duì)流和輻射^[6]。在此次建模中我們只考慮占主導(dǎo)作用的自上而下的豎直方向上的熱傳導(dǎo),，忽略側(cè)向?qū)α骱洼椛渥饔茫?/p>

    (3)本次建模只針對(duì)單個(gè)芯片模塊,，不考慮輸入輸出端子僅以端子連接處部分代替輸入輸出端子；

    (4)假設(shè)模塊處在理想情況下,模塊內(nèi)部的焊料層均勻無(wú)缺陷,，模塊的各種材料的屬性參數(shù)不隨溫度的變化而變化,，假設(shè)模塊周圍的環(huán)境溫度不發(fā)生變化。

    在基于上述幾何模型假設(shè)的情形下,，利用基于網(wǎng)格劃分的有限元法,，進(jìn)行三維溫度場(chǎng)熱仿真分析。經(jīng)網(wǎng)格劃分后為90 334個(gè)單元,，507 851個(gè)節(jié)點(diǎn),。從文獻(xiàn)[7]中可以查找出各層的材料屬性參數(shù)，假設(shè)模塊底部所安裝的散熱器散熱足夠好,，模塊底部溫度恒為25 ℃,。器件基板的4個(gè)側(cè)面與外界的對(duì)流換熱系數(shù)為8.76 W/(m²·℃)。

3 結(jié)果

    圖7是利用Cauer網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行的IGBT模塊溫度場(chǎng)分布圖。從溫度場(chǎng)分布圖中可以看出,，仿真結(jié)果顯示最大溫度值為192 ℃,。將圖中的溫度分布按從高到低分為9個(gè)等級(jí)，溫度最高顯示為9級(jí),，最低顯示為1級(jí),。

    從圖中的可以看出第5 級(jí)（118 ℃）及以下的溫度場(chǎng)分布中出現(xiàn)各向異性。這可歸因于這幾層溫度分布靠近器件邊緣,，環(huán)境溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于溫度場(chǎng)溫度,，熱量的傳遞就會(huì)趨向于溫度梯度▽T更大的位置。從模型剖面圖看,，熱量的傳遞符合傳導(dǎo)模型自上而下的垂直傳導(dǎo)方向,，且溫度較高的位置出現(xiàn)在芯片四周，符合IGBT模塊失效特征分析中的邊緣易損壞的特征,。這同試驗(yàn)人員用試驗(yàn)方法測(cè)得的集射極過(guò)電壓引起的失效位置通常在有源區(qū)的四周邊沿處[8]的結(jié)果相一致,。過(guò)電壓失效是由于溫度升高引起的，因此溫度的最高點(diǎn)也存在于有源區(qū)的四周邊緣處,，這就是為什么四周邊緣處溫度高的原因,。

4 結(jié)論

    本文在ANSYS里做了一個(gè)仿真試驗(yàn)，這個(gè)試驗(yàn)采用有限元分析的方法得到了IGBT模塊的溫度場(chǎng)分布不均勻,。IGBT模塊的溫度最高區(qū)域位于芯片的四周外沿處,。這同以前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合，這歸因于在熱仿真過(guò)程中考慮了IGBT模塊開關(guān)瞬間的電壓緩變,。本文構(gòu)建的仿真主要有兩方面的重要意義：其一,，從模塊本身講，本文構(gòu)建的試驗(yàn)仿真因?yàn)榉抡孢^(guò)程中的載荷考慮了IGBT關(guān)斷過(guò)程中的暫態(tài)過(guò)程而更真實(shí),，所以仿真結(jié)果更為準(zhǔn)確,。為IGBT模塊的可靠性檢測(cè)提供了一種較為準(zhǔn)確的試驗(yàn)方法，可以使用于IGBT模塊的壽命檢測(cè),，并且比傳統(tǒng)的壽命檢測(cè)方法更為安全可靠,。運(yùn)用該仿真方法研究IGBT模塊的溫度場(chǎng)分布和可靠性問(wèn)題，為IPM技術(shù)發(fā)展過(guò)程中解決功率部分高溫對(duì)邏輯部分的影響提供了理論借鑒,。其二,，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員為了避免IGBT由于溫度升高引起的失效而通常采用降級(jí)使用^[9],，這對(duì)于模塊的合理使用是不恰當(dāng)?shù)?，而根?jù)本文試驗(yàn)仿真的結(jié)果來(lái)選取模塊比依靠傳統(tǒng)的方法來(lái)選取更為精確，使模塊以及模塊所在的系統(tǒng)得到合理利用,。本次仿真系統(tǒng)所搭建的仿真模型為實(shí)現(xiàn)功率模塊的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)提供了理論依據(jù),，在仿真系統(tǒng)里是可以直接觀察到IGBT模塊的整個(gè)溫度場(chǎng)分布的,。而功率模塊的失效將直接引起的變流裝置的輸出電壓不符合并網(wǎng)要求，嚴(yán)重危害電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。因此,，監(jiān)控IGBT等功率模塊的溫度變化為避免無(wú)防備失效引起的危害提供了明確的警示作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐勇,，汪波,，陳明，等.高溫下的IGBT可靠性與在線評(píng)估[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),，2014,，39(2)：17-23.

[2] FABIS P M，SHUN D,，WINDISCHMANN H.Thermal modeling of diamond-based power electronics package[C]//Northboro,，fifteenth IEEE semi-thermal symposium.1999.98-104.

[3] 白保東，陳德志,，王鑫博.逆變器IGBT損耗計(jì)算及冷卻裝置設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),，2013，28(8)：97-106.

[4] TANYA K G,，JERRY L H,，JOHN F D，et al.A real-time thermal model for monitoringof power semiconductor devices.IEEE Transactions On Industry Applications,，2015,，51(4)：3361-3367.

[5] 毛鵬，謝少軍,，許澤剛.IGBT模塊的開關(guān)暫態(tài)模型及損耗分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),，2010,，30（15）：40-47.

[6] 方杰,，常桂欽，彭勇殿,，等.基于ANSYS的大功率IGBT模塊傳熱性能分析[J].大功率變流技術(shù),，2012(2)：16-20.

[7] 董少華，朱陽(yáng)軍,，丁現(xiàn)朋.基于ANSYS的IGBT模塊失效模式[J].半導(dǎo)體技術(shù),，2014，39(2)：147-153.

[8] 馬晉,，王富珍,，王彩琳.IGBT失效機(jī)理與特征分析[J].電力電子技術(shù)，2014,，48(3)：71-73,，76.

[9] 陳明,，胡安，唐勇,，等.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.

作者信息:

皮凱云,，崔昊楊,，李  祥，李  鑫,，束  江

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院,，上海200090)