圖1? ??IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

IGBT模塊的真實熱傳導(dǎo)路徑應(yīng)當(dāng)是三維的，熱量從芯片發(fā)出，通過橫向（X，Y）和縱向（Z）路徑傳導(dǎo)。由于模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以模塊內(nèi)每一層材料上不同點的溫度不一定相同，熱傳導(dǎo)形成的等溫面可能是不規(guī)則的曲面（如圖2）。

圖2 ??IGBT模塊內(nèi)部傳熱路徑和等溫面

半導(dǎo)體器件廠商為了量化半導(dǎo)體器件內(nèi)部的虛擬結(jié)溫Tvj，提出了一維分層熱結(jié)構(gòu)模型的方法。該方法基于以下假設(shè)：

(1) IGBT模塊內(nèi)部的傳熱路徑簡化為從內(nèi)部芯片到外部基板的一維路線熱結(jié)構(gòu)模型（實際上其它路徑的傳熱量的確遠(yuǎn)小于該路徑）；

(2) 熱結(jié)構(gòu)模型體現(xiàn)的是模塊內(nèi)部等溫面的分布，而不是對IGBT模塊內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)的簡單等效。?

1. Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型

將物體內(nèi)部按材料進(jìn)行分層，每一層都有其對應(yīng)的熱阻、熱容，這種基于物體內(nèi)部不同材料的真實物理特性建立的熱網(wǎng)絡(luò)模型叫做Cauer網(wǎng)絡(luò)模型。Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型可以用電路模型來等效。模塊外部的導(dǎo)熱材料和散熱器模型也可以一并加入熱網(wǎng)絡(luò)模型。

熱源（W）可以對應(yīng)電流源（A），熱阻（K/W）可以對應(yīng)電阻（Ω），熱容（J/K）可以對應(yīng)電容（F），溫度（K）可以對應(yīng)電壓（V）。有了這樣的對應(yīng)關(guān)系，即可將熱模型轉(zhuǎn)化為電路模型。如圖3所示，即為Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型轉(zhuǎn)化成電路模型的情況。

圖3 ??Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型轉(zhuǎn)為電路模型

通過電路仿真軟件，將模塊工作時的損耗用數(shù)學(xué)模型表示成電流，輸入等效電路模型，監(jiān)測各層的電路節(jié)點電壓，即可得到各層的仿真溫度。其中最為關(guān)鍵的是芯片等效結(jié)溫Tvj。

但是，Cauer模型適用于材料分層結(jié)構(gòu)比較簡單的物體。但如果研究對象是IGBT模塊這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的物體，同一物理層可能包括多種材料，對于這樣的物體如果直接建立Cauer網(wǎng)絡(luò)模型，可能有較大誤差。?

2. Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型

由于IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，IGBT廠商不會提供模塊內(nèi)部Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)給客戶，但是IGBT產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊內(nèi)會提供IGBT器件的基于Foster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)熱阻抗Zth(t)。

Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與IGBT內(nèi)部實際的物理層和材料層沒有對應(yīng)關(guān)系，純粹是用RC網(wǎng)絡(luò)來表達(dá)網(wǎng)絡(luò)兩端的對應(yīng)關(guān)系，而不涉及器件內(nèi)部的實際結(jié)構(gòu)，所以比較適合用來進(jìn)行器件的結(jié)溫計算。

數(shù)據(jù)手冊提供的基于Foster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的曲線及參數(shù)（如圖4，來源于中車半導(dǎo)體事業(yè)部生產(chǎn)的TIM1500ESM33型IGBT），表示的是芯片到模塊外殼的瞬態(tài)熱阻抗曲線，即熱阻抗隨時間變化的情況。當(dāng)芯片開始發(fā)熱，短時間內(nèi)由于熱容吸收能量，使得等效熱阻較低。長時間工作后，熱容達(dá)到穩(wěn)定溫度，熱阻呈現(xiàn)恒定值，即穩(wěn)態(tài)熱阻。

圖4 ?TIM1500ESM33型IGBT的Foster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的曲線及參數(shù)

數(shù)據(jù)手冊中的熱阻抗數(shù)據(jù)包括IGBT和FRD兩部分，且通常用4組RC組合表示。每組RC會提供R值和τ值，τi=RiCi。其對應(yīng)的Foster結(jié)殼熱阻抗網(wǎng)絡(luò)和計算公式如下。

圖5 ??Foster結(jié)殼熱阻抗網(wǎng)絡(luò)

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??? 同樣的，F(xiàn)oster熱網(wǎng)絡(luò)模型也可以轉(zhuǎn)化為電路模型進(jìn)行分析，如圖6所示。

?圖6?? Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型轉(zhuǎn)為電路模型

IGBT模塊數(shù)據(jù)手冊中有一個參數(shù)Pmax，即模塊內(nèi)IGBT部分的最大損耗，也稱為最大耗散功率，表征得是IGBT在指定殼溫TC和虛擬結(jié)溫Tvj條件下能夠承受的最大熱功率。TIM1500ESM33型IGBT的最大耗散功率為15.6kW。

IGBT模塊的殼溫TC、虛擬結(jié)溫Tvj、瞬態(tài)熱阻抗Zth(t)及功耗P的關(guān)系式如下。

將圖4的Foster熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)轉(zhuǎn)為電路參數(shù)，利用Simulink的電路仿真模塊搭建一個電路仿真模型，如圖7。數(shù)據(jù)手冊標(biāo)稱的IGBT最大耗散功率為15600W，對應(yīng)的電流源輸出為15600A。IGBT的殼溫TC為25℃，在電路中用25V的直流電壓源與之對應(yīng)。通過一個電壓測量模塊檢測電流源的輸出電壓，其值可對應(yīng)為虛擬結(jié)溫Tvj，如圖8。

圖7? ?Simulink下Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型轉(zhuǎn)為電路模型

圖8? Simulink下仿真得到的虛擬結(jié)溫Tvj

當(dāng)IGBT外部殼溫TC固定為25℃，發(fā)熱功率15kW，通入Foster熱網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過瞬態(tài)，得到的IGBT穩(wěn)態(tài)虛擬結(jié)溫Tvj為150℃，與數(shù)據(jù)手冊中的標(biāo)稱條件一致。

圖9? 逆變器仿真中電流波形、電壓波形及虛擬結(jié)溫T_vj

來源：中車時代半導(dǎo)體

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：IGBT模塊熱網(wǎng)絡(luò)模型及電路仿真應(yīng)用