《电子技术应用》

能源并网系统中IGBT模块的温度场分布分析

2017年电子技术应用第3期
皮凯云,崔昊杨,李 祥,李 鑫,束 江
(上海电力学院 电子与信息工程学院,上海200090)
摘要: 温度影响着绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的可靠性,采用传统的功电热耦合仿真模型只能测得IGBT模块离线情况下的一个结温,不能获得实际工况下芯片表面的温度场分布。在传统功率循环试验仿真的基础上进行改进,考虑到IGBT关断过程中的电压缓变,将该电压作为载荷,利用数值仿真软件ANSYS热分析环境,采用有限元分析方法得到模块温度场分布图,分析了温度场分布特征,可知温度较高区域出现在有源区的四周边沿处,这同以前的实验结果一致,证明仿真模型的正确性。以上分析对研究IGBT模块的可靠性和模块在线监测具有一定的指导意义。
中图分类号: TN386
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.009
中文引用格式: 皮凯云,崔昊杨,李祥,等. 能源并网系统中IGBT模块的温度场分布分析[J].电子技术应用,2017,43(3):40-42,47.
英文引用格式: Pi Kaiyun,Cui Haoyang,Li Xiang,et al. The temperature field distribution analysis of IGBT module in the interconnected system[J].Application of Electronic Technique,2017,43(3):40-42,47.

The temperature field distribution analysis of IGBT module in the interconnected system

Pi Kaiyun,Cui Haoyang,Li Xiang,Li Xin,Shu Jiang
(College of Electronics and Information Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)
Abstract: Temperature affects the reliability of the insulated gate bipolar transistor(IGBT) module. The traditional power electric coupling simulation model can only be measured IGBT module offline cases a junction temperature, can’t get the actual working conditions temperature field distribution on the surface of the chip. In this paper, on the basis of the traditional power cycling test simulation considering the voltage in the process of IGBT turn-off graded, the voltage as the load by using numerical simulation software ANSYS thermal analysis environment module temperature field distribution of achieved by finite element analysis method, analyzes the temperature field distribution characteristics of known high temperature area in all round the edge of the active region. The above analysis to study the reliability of the IGBT module and the module of online monitoring has certain guiding significance.

0 引言

    绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块作为中压、大功率典型的变流器件,在能源并网系统中的使用非常广泛。研究IGBT的可靠性为研究变流装置的可靠性乃至能源并网系统的可靠性都有非常重要的意义[1]。温度是IGBT模块最重要的参数,它不仅影响着IGBT的电学特性,而且影响着IGBT模块的可靠性。以往对IGBT模块的温度参数分析主要采用电热耦合仿真的方法,得到IGBT模块的结温值,但由于结温值假设IGBT模块的温度分布是均匀的,因此是不准确的。本文对于IGBT模块的温度参数运用有限元分析方法得到二维温度场分布图,比结温方法更精确。且本文考虑到IGBT模块的在并网系统中的应用,得到了IGBT模块在该应用下的温度场分布,为IGBT模块的在线温度监测提供了一定的理论基础。

1 原理

    IGBT模块有近60%的失效是由温度引起的,温度每上升10 ℃,器件失效概率以近2倍的速率上升[2]。因此研究IGBT模块的温度分布对于研究IGBT模块的可靠性很重要。IGBT的温度升高需要能量,这个能量由IGBT模块的功率损耗提供。由IGBT的结构特性和工作原理可知:IGBT模块可近似认为由MOSFET和PNP晶体达林顿连接而成,其单元结构及等效电路如图1所示。

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    在导通过程中可近似认为和MOSFET的导通过程一致。同MOSFET一样导通过程存在电压延迟下降时间,关断过程存在电压延迟上升时间。导通和关断过程均会产生功率损耗,并由此引起局部温升。

    IGBT的总损耗主要由稳态损耗和暂态损耗构成[3]如式(1):

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    为了对IGBT模块的温度场分布进行分析,采用图2所示的Cauer网络对IGBT模块的7层结构进行等效[4]。运用电热比拟理论在这个网络中将7层结构中的每层都等效为一组并联的RC网络,电流的大小和方向等效于温度的高低和传导方向,最后的电流源T相当于环境温度。构成了IGBT模块的热传导模型。

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2 仿真

    首先在MATLAB里搭建直流并网系统仿真,如图3所示,得到IGBT的输出电压Vce波形(图4),在导通过程中,集射极电压下降的过程分为两个部分,第一部分是IGBT中MOSFET单独工作时的电压下降过程,第二部分是MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。由于集射极电压下降时IGBT中MOSFET的栅极漏电容增加,并且IGBT中PNP晶体管的工作状态由放大状态进入饱和状态也需要一个过程,因此此部分电压下降过程变缓。关断过程中,当栅极电压降为0后,由于载流子的复合是需要时间的,这也就使关断电压的上升过程变缓。将该波形作为温度分布仿真中载荷的来源,但由于ANSYS仿真软件本身对载荷是有要求的,因此这个输出波形需进行处理才能作为热仿真中的载荷。经过多个单元近似线性得到了如图4所示波形,但MATLAB里的IGBT模块作为理想的仿真模块没有考虑寄生电感的作用。从文献[5]中可以查出,正常关断过程中的尖峰电压约比关断时电压高出20%。所以在对载荷进行处理时考虑了尖峰电压,得到了如图5所示的载荷,作为ANSYS仿真建模里所施加的载荷。

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    模块的热传导模型采用IGBT典型的7层结构,如图6所示。7层结构自上到下分别是:键合线、芯片、芯片焊接层、铜镍层1、陶瓷衬板、铜镍层2、基板焊接层和基板。图中的箭头为IGBT模块的热传导方向。在进行计算前先建立模型,对几何模型做出如下假设:

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    (1)在这个剖面图中没有考虑门极,因为门极和芯片不在同一个衬板上,且门极电压值远小于模块的集射极电压值,所以此次建模不考虑门极电压作用产生的温度场;

    (2)IGBT模块内部各层之间存在热量的传导,模块与外部环境存在对流和辐射[6]。在此次建模中我们只考虑占主导作用的自上而下的竖直方向上的热传导,忽略侧向对流和辐射作用;

    (3)本次建模只针对单个芯片模块,不考虑输入输出端子仅以端子连接处部分代替输入输出端子;

    (4)假设模块处在理想情况下,模块内部的焊料层均匀无缺陷,模块的各种材料的属性参数不随温度的变化而变化,假设模块周围的环境温度不发生变化。

    在基于上述几何模型假设的情形下,利用基于网格划分的有限元法,进行三维温度场热仿真分析。经网格划分后为90 334个单元,507 851个节点。从文献[7]中可以查找出各层的材料属性参数,假设模块底部所安装的散热器散热足够好,模块底部温度恒为25 ℃。器件基板的4个侧面与外界的对流换热系数为8.76 W/(m2·℃)。

3 结果

    图7是利用Cauer网络模型进行的IGBT模块温度场分布图。从温度场分布图中可以看出,仿真结果显示最大温度值为192 ℃。将图中的温度分布按从高到低分为9个等级,温度最高显示为9级,最低显示为1级。

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    从图中的可以看出第5 级(118 ℃)及以下的温度场分布中出现各向异性。这可归因于这几层温度分布靠近器件边缘,环境温度远远低于温度场温度,热量的传递就会趋向于温度梯度▽T更大的位置。从模型剖面图看,热量的传递符合传导模型自上而下的垂直传导方向,且温度较高的位置出现在芯片四周,符合IGBT模块失效特征分析中的边缘易损坏的特征。这同试验人员用试验方法测得的集射极过电压引起的失效位置通常在有源区的四周边沿处[8]的结果相一致。过电压失效是由于温度升高引起的,因此温度的最高点也存在于有源区的四周边缘处,这就是为什么四周边缘处温度高的原因。

4 结论

    本文在ANSYS里做了一个仿真试验,这个试验采用有限元分析的方法得到了IGBT模块的温度场分布不均匀。IGBT模块的温度最高区域位于芯片的四周外沿处。这同以前的实验结果相符合,这归因于在热仿真过程中考虑了IGBT模块开关瞬间的电压缓变。本文构建的仿真主要有两方面的重要意义:其一,从模块本身讲,本文构建的试验仿真因为仿真过程中的载荷考虑了IGBT关断过程中的暂态过程而更真实,所以仿真结果更为准确。为IGBT模块的可靠性检测提供了一种较为准确的试验方法,可以使用于IGBT模块的寿命检测,并且比传统的寿命检测方法更为安全可靠。运用该仿真方法研究IGBT模块的温度场分布和可靠性问题,为IPM技术发展过程中解决功率部分高温对逻辑部分的影响提供了理论借鉴。其二,在实际应用过程中,设计人员为了避免IGBT由于温度升高引起的失效而通常采用降级使用[9],这对于模块的合理使用是不恰当的,而根据本文试验仿真的结果来选取模块比依靠传统的方法来选取更为精确,使模块以及模块所在的系统得到合理利用。本次仿真系统所搭建的仿真模型为实现功率模块的实时在线检测提供了理论依据,在仿真系统里是可以直接观察到IGBT模块的整个温度场分布的。而功率模块的失效将直接引起的变流装置的输出电压不符合并网要求,严重危害电力系统的稳定性。因此,监控IGBT等功率模块的温度变化为避免无防备失效引起的危害提供了明确的警示作用。

参考文献

[1] 唐勇,汪波,陈明,等.高温下的IGBT可靠性与在线评估[J].电工技术学报,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] 白保东,陈德志,王鑫博.逆变器IGBT损耗计算及冷却装置设计[J].电工技术学报,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] 毛鹏,谢少军,许泽刚.IGBT模块的开关暂态模型及损耗分析[J].中国电机工程学报,2010,30(15):40-47.

[6] 方杰,常桂钦,彭勇殿,等.基于ANSYS的大功率IGBT模块传热性能分析[J].大功率变流技术,2012(2):16-20.

[7] 董少华,朱阳军,丁现朋.基于ANSYS的IGBT模块失效模式[J].半导体技术,2014,39(2):147-153.

[8] 马晋,王富珍,王彩琳.IGBT失效机理与特征分析[J].电力电子技术,2014,48(3):71-73,76.

[9] 陈明,胡安,唐勇,等.绝缘栅双极型晶体管传热模型建模分析[J].高电压技术,2011,37(2):453-459.



作者信息:

皮凯云,崔昊杨,李  祥,李  鑫,束  江

(上海电力学院 电子与信息工程学院,上海200090)

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