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)通過程中可近似認(rèn)為和MOSFET的導(dǎo)通過程一致,。同MOSFET一樣導(dǎo)通過程存在電壓延遲下降時(shí)間，關(guān)斷過程存在電壓延遲上升時(shí)間,。導(dǎo)通和關(guān)斷過程均會(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)通過程中,，集射極電壓下降的過程分為兩個(gè)部分,，第一部分是IGBT中MOSFET單獨(dú)工作時(shí)的電壓下降過程，第二部分是MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程,。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)過程,，因此此部分電壓下降過程變緩,。關(guān)斷過程中，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)斷電壓的上升過程變緩。將該波形作為溫度分布仿真中載荷的來源,，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^程中的載荷考慮了IGBT關(guān)斷過程中的暫態(tài)過程而更真實(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)分布和可靠性問題,，為IPM技術(shù)發(fā)展過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)果來選取模塊比依靠傳統(tǒng)的方法來選取更為精確,，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防備失效引起的危害提供了明確的警示作用。

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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)