IGBT 功率模块热管理研究简述.docx

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1、摘要：随着绝缘栅双极晶体管(IGBT )向高功率和高集成度方向发展，在结构和性能上有很大的改进，热产生问题日益突出，对散热的要求越来越高,IGBT芯片是产生热量的核心功能器件，但热量的积累会严重影响器件的工作性能。因此，对IGBT模块的温度进行有效地检测和管理是十分重要的环节。综述了 IGBT模块的研究现状、研究热点以及散热相关技术，主要介绍了主动散热和被动散热的方法、以及IGBT功率模块的热阻网络系统和散热系统设计的主要步骤，和减小热阻来增强散热的方法。关键词：IGBT功率模块热管理热管绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor z IGBT )功率

2、半导体模块作为新能源转换系统和高压电源开关装置中的关键部件，代表了一种新型的功率半导体场控自关闭电子器件。广泛应用于照明、汽车、高铁、等领域，未来10年是IGBT功率模块发展的黄金期,它在频率较高的中大功率应用中占据主导地位，目前尚未发现有其他产品可以替代IGBT功率半导体模块在电力电子设备中的关键作用。IGBT功率半导体模块的弱点是过压过热。因此，它处理热量的能力限制其高功率的应用。IGBT结合了金属氧化物半导体场效应晶体管(metal - oxide-semiconductor field - effecttransistor , MOSFET )和双极型晶体管(bipolar junct

3、ion transistor ,BJT )的优点，具有驱动电路简单、低稳态损耗、承受短路能力强等优势，IGBT功率半导体模块的各项参数和工作性能也有了很大的提高，更适用于电力电子器件，它是大功率半导体中最具代表性的平台器件，能大幅提高电机驱动的效率。IGBT作为电力电子控制电路的核心之一，推动电力电子器件的发展，近年来，快速发展，并在冶金、可再生能源等多种不同行业得到了广泛的应用，有助于利用可持续清洁能源缓解全球化石能源危机和环境问题。然而，作为大功率变换器的关键部件，IGBT的热流密度趋向于高功率、高集成度发展，模块也因其高频传导和开合而不断集中产生大量的热，影响器件的性能。大部分的IGBT

4、功率半导体模块的失效原因都与热量有关。如果没有有效的散热方式，模块温度将很快达到甚至超过结温（150 C ），严重影响IGBT的工作性能、安全性及可靠性，使开关断速度、通态压降、电流拖尾时间、关断电压尖峰和损耗等性能指标变差，温度过高甚至会导致整个器件乃至整个系统模块的损坏，对IGBT的安全性和可靠性构成严重威胁o为了满足IGBT器件应用日益增长的要求,容量和可靠性成为IGBT器件面临的巨大挑战。与其他电子设备类似，一个高效、稳定、方便和紧凑的冷却系统对IGBT器件的设计具有重要意义，以确保其安全和稳定的工作。对IGBT功率器件进行热管理设计,是解决IGBT功率器件散热的必要措施和有效手段。本

5、文综合概括了当前国内外IGBT功率模块热管理的研究现状、研究热点以及散热相关技术，并进行了全面的整理与分析，为解决IGBT模块散热设计的问题提供了重要的参考价值，进一步为器件热性能的可靠性设计和优化奠定理论基础。1 IGBT功率器件热阻网络系统通常情况下，IGBT功率器件的向下散热传递路径可描述为：当IGBT功率器件通电时，在电压和电流的作用下，IGBT芯片由于存在通态损耗和开关损耗而产生大量的热。散热路径由上到下依次为：芯片一陶瓷覆铜板一基板一散热器，最终由散热器与空气通过对流传热和辐射传热，利用主动散热或被动散热将热量带走，整个传导过程中存在热阻，热阻是影响IGBT功率模块散热的主要因素，

6、要想增强散热效果，减小热阻是最主要的方法。图1所示为逆变焊机中IGBT功率模块热传递原理图。通过锡焊工艺将芯片、陶瓷覆铜板和基板焊接在一起，基板和散热器之间涂抹导热硅脂，增强导热。IGBT模块热传递模邪示意佟I芯片结温 7 j = 7jc + 7ch + A7a + a功率关（n八）是损耗输人功率芯片A输出功率当芯片结温7IXB 一芯片与外壳之间热阻RthJC 外壳与放热器之间热阻.RthCH芯片焊接已_ 铜层 .陶先（AnabB铜信.一系统焊接展芯片与外壳之间温47）一大A7jc模块外壳温度大散热器q环境之间温片7?一小A71h散热器温度7h散热器温度传递方向IGBT模块（IGBT、 Dio

7、de均川丧示）散热器叮环爱上7散热器。环境之间热阳RlhHA1A%隔憎怖图1 IGBT热传递原理图逆变焊机中IGBT功率模块系统结构上可以分析出热流传递通道为：芯片一芯片焊接层一铜一陶瓷一铜一系统焊接层基板-导热硅脂-散热器-环境。殷炯等提出一种热阻等效电路的方法来确定散热系统热阻参数对系统热阻的影响，参数包括功率元件材料和结构特性、散热器与模块表面接触情况等，结果得出不同风速对冷却效果的影响程度以及保证模块可靠工作的最低风速;邓二平等通过用两种不同测试方法进行热阻测试并对比研究，结果显示传统热电偶法只适用于测量焊接式IGBT模块结到壳热阻值，瞬态双界面法既适用于测量焊接式IGBT模块结到壳热

8、阻值，也适用于测量压接型IGBT模块结到壳热阻值。热阻网络主要由3个环节所构成：材料体积热阻、热界面材料热阻、元件到环境热阻。因此，从IGBT芯片到环境温度的总热阻模型可以表达为：R = Rjc + Res + Rsa ( 1 )式中：Rjc为IGBT芯片到铜基板的热阻；Res为铜基板到散热器的热阻；Rsa为散热器到外界环境的热阻。目前，IGBT功率模块内部结构已经很成熟，众所周知，要想减小模块内部的界面热阻和材料热阻十分困难。因此，现在的散热偏向于对Rsa的研究，目的是减小热阻，尽快的将模块产生的热量散热到空气中，降低模块温度。本文主要综述了 IGBT模块到环境的散热技术，主要分为主动散热和

9、被动散热，散热技术涉及热管散热技术、基于PCM的散热器、空气射流和液体射流等。2 IGBT功率模块散热分析与设计IGBT作为能量变换与传输的核心元件，广泛应用于化工、冶金、轨道交通和新能源等领域，为利用可持续清洁能源缓解全球化石能源危机和环境问题做出了大量努力。功率模块通过热传导、热对流和热辐射的方式将热量传递到大气中。针对IGBT热量密度和应用场景不同，需要用不同的散热方式，主要分为被动散热和主动散热。两者主要区别在于被动散热是通过自然对流散热将热量散发到大气环境中，不借助外界力，主动散热是利用风冷或水冷的散热方式，借助外力通过强制对流传热将热量散发到空气环境中。被动散热比主动散热结构简单、

10、成本低、可靠性高，但散热效果不太明显，主动散热由于借助外力散热效果好，冷却速度快。基于热阻网络系统模型对IGBT功率模块进行散热分析与设计，有可能达到最优的散热效果。3 IGBT功率模块散热技术3.1 被动散热3.1.1 翅片散热技术IGBT功率模块产生的热量通过散热器翅片自然对流散发。根据对流散热的牛顿冷却公式，对于面积为A的接触面，自然对流散热的散热量为：0 = Aht ( 2 )式中：0为散热量；A为散热面积；h为对流换热系数；t为温差。可见，散热器可以通过增加A和增大h来强化散热效果。当IGBT功率模块发生自然对流散热时，其中影响翅片散热流场的力主要分为2大类：自然对流流场驱动力与翅片

11、阵列阻力。图2所示为2种不同翅片的排列形式示例，相关参数：翅片间距、结构、高度、方位等都会影响翅片的散热效果。Charles等构造了不同形状的翅片,包括梯形、倒梯形、矩形等。实验结果表明，倒梯形的传热系数比梯形和矩形分别高25%和10%o设计并优化水平板翅片散热器的翅片厚度、高度和间距，一般以使用最小材料和散发最大热量为目标。0图2散热器不同的翅片排列方式常用的散热片材质是铜和铝合金，通过压铸、挤压等工艺制造而成，一般散热器材质是铝合金，铝合金不仅导热性能好，而且性价比高。Chang等开发了石蜡/石墨纳米板复合相变材料直翅散热片，用于IGBT的热管理。铝散热器空腔中存储复合相变材料(pulse

12、 code modulation , PCM ),GNPs作为一种有效的热媒体，增强PCM活性以提高石蜡热导率,采用差示扫描量热仪进行试验研究熔体等热性能、凝固温度和潜热，最终发现复合材料的热导率提高了近5倍。3.1.2 热管冷却技术热管作为两相传热设备，它们具有低传热温差、高传热性能、小尺寸和出色的温度一致性的优点，并且热管的机制和工作原理简单，不需要机械维护，提供了非常有前途的解决方案。根据蒸发/冷凝循环，热管具有高有效热导率，并具有纯被动方式运行的优点。热管由密封的容器、管芯和一定量的处于液/气状态的工作流体组成平衡。热量从外部施加到蒸发器，并由冷凝器的外部散热器释放。由于冷热段之间的压

13、力差，产生的蒸气从蒸发器被驱动到冷凝器。由凝结产生的液体通过芯吸结构的存在而产生的毛细泵作用流回蒸发器。热管因其高导热性能散热效果好，在IGBT半导体功率模块散热领域中广泛应用，IGBT芯片以热传导的散热方式将热量传递到基板，基板再通过热管在全封闭真空管壳内工质的蒸发与凝结将热量散发到空气中，达到散热的效果。热管散热器的工作原理示意图，如图3所示。冷凝端冷却风发热板块蒸发端 液相图3热管散热器原理图一般热管不单独作为散热器使用，通常嵌入翅片，散热效果更好。Xiahou等研究分析了现有IGBT功率器件散热器的结构，通过设计和优化阵列冷端平面热管，降低了 IGBT功率器件，增强了散热效果。图4为传

14、统热管散热器与阵列冷端平面热管对比图。(a)传统热管单元(b)阵列冷端平语赭矗盅就图4 2种热管单元对比图4 ( a )与图4(b )分别为传统热管散热器与阵列冷端平面热管中的单管。图4 ( b)中的空心基板与热管通过焊接成为一个空腔整体，将蒸发端作为整个基板底面，增大蒸发端热接触面积且具有均温效果。去除了基板的导热热阻、热管与基板间的接触热阻，传热性能更好。Huang等提出一种新型的对称且高度连续变化的翅片阵列，如图5所示，通过减小流阻来改善自然对流换热。中闰热谆I自同拽呱号湍m理汨图5带有可变高度翅片真阵列的热管散热器通过三维数值计算，比较不同高度可变翅片阵列的热管散热器的传热性能。研究表

15、明，增加散热片间距（S ）和最大散热片高度差（P ）可以大大降低单位功率的材料成本Mtot，但对总热阻Rtot影响更复杂。并且基于响应面法,以最小Rtot和Mtot为目标，融合NSGA-II和TOPSIS的两阶段方法，进行了参数研究和多目标优化分析，获得的帕累托解集在参数状态图中呈区域分布，表明s和p对系统性能密切相关，而不是相互独立的。影响热管散热器的因素有很多。徐鹏程等通过分析热管散热器，建立热管散热器模型并进行数值模拟，探究了影响热管散热器热性能的影响因素：翅片的厚度和间距，结果表明了翅片的厚度与间距变化时，散热器的摩擦系数与传热因子的变化情况。汪双凤研究了影响热管散热器极限热输送的因素：冷凝段长度、脉动热管加热段，结果显示，要使得极限输送能力最大，在低充液率情况下，必须满足加热段长度等于冷凝段长度；在高充液率情况下，必须满足加热段长度大于冷凝段长度。在过去的十年中，已经有许多研究人士