IGBT芯片的電熱性能分析

本文對IGBT芯片的電熱性能進(jìn)行了廣泛的研究，用于IGBT芯片中的3D封裝結(jié)構(gòu)。

在過去的幾年里，半導(dǎo)體技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，特別是在電力電子領(lǐng)域，在研究和重工業(yè)應(yīng)用中的應(yīng)用。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊在高工作溫度、快速開關(guān)速度、更高可靠性等應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在這種情況下，獲得精確的結(jié)果至關(guān)重要，因?yàn)槿绻?jì)算不正確，電路甚至操作電路的用戶可能會產(chǎn)生多種危險(xiǎn)結(jié)果。

功率模塊的磁熱分析

所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)提出了一種模擬，其中，在電路操作期間測試了IGBT的電氣，熱和磁特性。

圖1：所提出的EM-電熱分析方法的示意圖。

芯片表面（集電極、發(fā)射器和柵極）與模塊外部端子之間的寄生特性由該電磁網(wǎng)絡(luò)表示。電熱IGBT芯片模型是在電路中構(gòu)建的，使用實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果或數(shù)據(jù)手冊的曲線擬合和加權(quán)插值來表示工作點(diǎn)條件的依賴性。該電熱模型充當(dāng)熱網(wǎng)絡(luò)和EM網(wǎng)絡(luò)之間的重要鏈接，必須接受來自每個芯片的Tj信息并將功率損耗值返回給前者，接受現(xiàn)有信息并將芯片導(dǎo)通狀態(tài)壓降（Vce（on））值恢復(fù)到后者。

圖2：1700V/450A半橋IGBT功率模塊布局。

包括外部端子和芯片表面之間的頻率相關(guān)電阻和電感值的數(shù)據(jù)，例如從模塊的DC+電源端子到高端開關(guān)IGBT芯片的集電極表面，如圖2所示。

所提模型的提取

直到最近，對功率模塊的電氣和熱特性之間的自洽相互作用的研究一直是一個令人興奮的話題，因?yàn)樗捎糜谑褂?a href="http://srfitnesspt.com/tags/rom/" target="_blank">ROM方法克服多個障礙的技術(shù)。

在進(jìn)行測試時，考慮了所有熱特性以及底部完整冷卻邊界的假設(shè)，以進(jìn)一步簡化和提高效率。此外，在底部過程的模擬過程中，底板溫度設(shè)置為90

。

圖3：僅對U5施加功率損耗時的溫度分布

如上所示，圖3描述了整個封裝結(jié)構(gòu)的熱行為，記錄了該結(jié)構(gòu)以研究精確的電熱耦合。

圖4：Icepack SVM、辛普勒熱網(wǎng)絡(luò)和實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果對比

圖4顯示了提取過程的有效性，以證明其與不同結(jié)果的比較。例如，在Icepak FVM仿真，Simplorer熱網(wǎng)絡(luò)仿真和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果之間進(jìn)行了比較，以檢查低邊開關(guān)的熱阻。具有熱網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膱D形顯示了與標(biāo)準(zhǔn)FVM仿真相同的仿真結(jié)果。IGBT的均流特性取決于模塊封裝中寄生元件的頻率，其中還包括傳導(dǎo)路徑的電阻和電感。在應(yīng)用過程中，IGBT模塊應(yīng)用中從外部母線端子到芯片表面的每條傳導(dǎo)路徑都可能對電流在芯片之間的分布方式以及每個芯片的自身開關(guān)方式產(chǎn)生影響。這使得模塊表征從所有外部端子到每個芯片表面的寄生值非常重要。

模擬和結(jié)果

一旦IGBT芯片模型的提取過程完成，就會考慮熱和電磁網(wǎng)絡(luò)的仿真及其分析表示，以研究它們在斬波電路中的模塊性能。在這種斬波器電路中，當(dāng)IGBT模塊在高頻下工作時，設(shè)置一個900V直流電源，負(fù)載并聯(lián)到三個IGBT開關(guān)和三個FRD芯片的高邊開關(guān)

解析解：在斬波電路中，考慮功率損耗的均流和溫度依賴性非常重要，因此可以在分析解中查看損耗。

psw，IGBT = （Eon + Eoff） ? fsw

由上式可知，Eon和Eoff是IGBT芯片在設(shè)定的90°C時的開啟和關(guān)閉，fsw是開關(guān)頻率。

電熱仿真： 如下圖所示，在獲得仿真輸出時，在電氣仿真上方增加了一個熱網(wǎng)絡(luò)。通過將電熱芯片模型的熱引腳鏈接到熱網(wǎng)絡(luò)，可以動態(tài)更新芯片的溫度敏感電特性，例如損耗能量和Vce（on）值。這樣就可以將電路仿真計(jì)算出的功率損耗輸入熱網(wǎng)絡(luò)。

圖5：電熱仿真拓?fù)?/p>

電磁-電熱仿真

如上所示，應(yīng)始終檢查顯示阻抗和寄生元件不同不平衡的熱網(wǎng)絡(luò)和電磁網(wǎng)絡(luò)，以確保平穩(wěn)運(yùn)行。在電磁電熱分析中還使用了具有零維設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)。

圖6：電磁電熱仿真拓?fù)洹?/p>

在圖6中，EM和熱網(wǎng)絡(luò)集成在仿真電路中。使用EM網(wǎng)絡(luò)，IGBT芯片電熱模型在工作期間嵌入到應(yīng)用電路中。

圖7：仿真結(jié)果（a）芯片的柵極驅(qū)動器電壓和Vge（b）IGBT芯片電流值（c）IGBT芯片平均總功率損耗（d）IGBT芯片Tj變化。

圖7顯示了不同條件和溫度下的仿真輸出，以便進(jìn)一步了解IGBT及其性能。圖中的IGBT芯片U6圖11 （a）由于靠近模塊封裝的柵極控制端子，因此具有最高的Vge值，圖7（b）顯示了三個并聯(lián)芯片之間的電流分布。如圖所示。如圖11所示，芯片U6描述了最高平均總功率損耗（c）和圖。如圖7所示，Tj隨時間的變化（d）。如果IGBT中存在溫度不穩(wěn)定，則可能會出現(xiàn)各種長期問題，這些問題可能會增加功率損耗和熱應(yīng)力。

四、結(jié)語

研究了具有EM-電熱耦合的IGBT半導(dǎo)體功率模塊的行為，以及均流特性和熱特性。所進(jìn)行的仿真結(jié)果完全符合預(yù)測，使其在各種物理和電子領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)展。通過獲得的結(jié)果，可以說揭示IGBT功率模塊封裝對芯片電熱行為的影響的機(jī)會更高。隨著對該主題的更廣泛研究，此類系統(tǒng)甚至可以部署在復(fù)雜的設(shè)備中并具有增強(qiáng)的可靠性。
審核編輯：陳陳