本文對(duì)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(zhǎng)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(huì)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(cè)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(cè)試結(jié)果或數(shù)據(jù)手冊(cè)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(gè)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(duì)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(gè)令人興奮的話題，因?yàn)樗捎糜谑褂?a href="http://m.makelele.cn/tags/rom/" target="_blank">ROM方法克服多個(gè)障礙的技術(shù)。

在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，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(jiǎn)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(duì)U5施加功率損耗時(shí)的溫度分布

如上所示，圖3描述了整個(gè)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(duì)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(cè)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(duì)電流在芯片之間的分布方式以及每個(gè)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(gè)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(huì)考慮熱和電磁網(wǎng)絡(luò)的仿真及其分析表示，以研究它們?cè)跀夭娐分械哪K性能。在這種斬波器電路中，當(dāng)IGBT模塊在高頻下工作時(shí)，設(shè)置一個(gè)900V直流電源，負(fù)載并聯(lián)到三個(gè)IGBT開關(guān)和三個(gè)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(shí)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(shí)，在電氣仿真上方增加了一個(gè)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(shí)間的變化（d）。如果IGBT中存在溫度不穩(wěn)定，則可能會(huì)出現(xiàn)各種長(zhǎng)期問題，這些問題可能會(huì)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(cè)，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(duì)芯片電熱行為的影響的機(jī)會(huì)更高。隨著對(duì)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