IGBT功率模块热管理研究

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。     

高功率单相桥模块封装热特性研究及优化

为了提升高功率应用下单相桥模块的热可靠性,利用有限元仿真分析方法,研究了模块的封装热特性,并与实测结果进行比较,验证了模型求解的准确性和可靠性.结果表明:单相桥模块结壳热阻为0.185 3℃/W,封装7层结构中直接覆铜基板(DBC)陶瓷层占总热阻的52.12%,将DBC陶瓷绝缘材料替换为高导热率绝缘材料能够有效减小结壳热阻;在高功率应用条件下,由功率端子和引线寄生引起的焦耳热将进一步导致结温升高及模块性能下降.在此基础上,具体分析了不同功率端子、引线模型对模块封装热特性的影响.分析表明,采用铜柱型功率端子和增大近端子侧(高电流密度区域)的引线密度或截面直径均可降低结温,从而有助于提高单相桥模块的过电流能力和热可靠性.     

电动汽车电机控制器IGBT结温计算方法与验证

电动汽车电机控制器中的主要热源是绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块,其最大结温的高低是影响控制器可靠性的关键因素。为保证IGBT模块最大结温始终在其允许工作温度范围内,采用水冷方式对其进行散热。文章以某款纯电动汽车电机控制器为研究对象,结合传热学基本原理,提出了一种水冷散热器热阻估算方法,并用该方法得到的热阻值直接对IGBT模块结温进行计算;为验证计算方法的有效性,利用数值模拟的方法对水冷散热器内部流场以及IGBT结温进行仿真分析,同时进行试验测试,并将得到的3组结果进行对比。结果表明,该文提出的计算方法可以准确地得到IGBT在不同工况点的结温。     

用于高功率半导体激光器列阵散热的微通道热沉的研制

理论分析了微通道热沉的热阻的组成,采用微机械加工技术和铜直接粘接技术(DBC)制作了冷却大功率半导体激光器列阵的5层结构的无氧铜微通道热沉;通过测试,用其封装的808 nm线阵二极管激光器准连续输出功率达38.5 W,无氧铜微通道热沉热阻为0.645℃/W,热沉的表面温度均匀性好,能有效散热,满足散热要求.     

不同封装的扩展电阻温度传感器瞬态热响应模型

研究了扩展电阻温度传感器的封装效应。对扩展电阻传感器封装热阻的测量和瞬态热响应 理论和实验研究。理论结果和实验结果吻合。实验和理论结果表明，管壳的几何形状比封装材料传感器瞬态响应时间的影响更重要。对于要求高灵敏度和快速响应的传感器封装，小型和球型的封装方式总是被推荐。的     

三相逆变器中绝缘栅双极型晶体管模块结温仿真评估

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的工作性能和可靠性以及逆变器中IGBT模块散热系统的设计等均与其工作结温直接相关,掌握器件的结温状况对于确保其安全可靠的使用和冷却装置的合理选择具有重要意义。推导获得基于数学方法的IGBT模块损耗模型和实现热电模拟的Foster热网络模型,基于此在MATLAB/Simulink中建立了简单实用的三相逆变器中IGBT模块结温仿真评估模型,同半导体器件制造商软件计算方法相比,加入了热电耦合因素,可以更真实地模拟器件芯片结温状况,并分析了不同负载工况下IGBT模块结温的变化趋势     

混合封装电力电子集成模块内的传热研究

采用混合封装电力电子集成模块的热模型对模块内功率电路向驱动保护电路印刷电路板(PCB)的传热进行了研究，确定了功率器件在不同的发热量下器件和驱动保护电路PCB上的最高温度．实体模块的测试结果与热模型的计算结果良好的一致性表明：功率器件到模块内铜基板底面间的热阻为0．45℃／w；驱动保护电路PCB受功率电路的传热影响显著；在自然对流散热的情况下，功率器件的温度达到85℃左右时，PCB上的最高温度已接近70℃，此时功率器件的发热量为45W．     

功率LED芯片键合材料对器件热特性影响的分析与仿真

针对倒装型功率发光二极管器件,描述了功率LED器件的热阻特性,对不同芯片键合材料的功率LED热阻进行了分析,并运用AN SY S软件对3类典型芯片键合材料封装的功率LED热特性进行了仿真。仿真结果表明:采用功率芯片键合材料提高了功率LED的散热特性、降低器件PN结温,而采用普通热沉粘接胶作为芯片键合材料的功率LED的PN结温则较高,因此普通热沉粘接胶不适合用作功率LED的芯片键合材料。     

基于封装的半导体激光器热特性分析

半导体激光器封装工艺的基础上,分别用In焊料和AlN过渡热沉以C-Mount形式封装出两类半导体激光器,随后从热传导理论及其有限元法出发,在对两只激光器进行光谱等参数测试后分别计算它们的稳态热阻。有限元分析软件对两半导体激光器作了稳态或瞬态模拟,得出了它们的温度分布云图。从热导角度对两类封装优缺点进行讨论。     

大功率LED封装散热关键问题的仿真

基于ANSYS有限元软件对目前3种典型LED封装结构的温度场进行模拟分析.通过比较得出,优化封装结构可以有效地提高LED散热性能,途径最佳的是减少热沉数量,次之为降低热沉热阻;经与热对流方式对LED散热效果比较,发现优化封装结构降低结温的效果并不明显.而在可实现的光转换效率下,经过必要的选材优化后,强制对流是最有效解决散热的方法.     

大功率LED的散热封装

如何提高大功率LED的散热性能,是LED器件封装及其应用的关键技术.提出了一种LED薄膜集成封装结构,利用磁控溅射技术制备了实验样品,依据动态电学法,采用金相显微镜和扫描电镜对样品的热阻和膜层性能进行了测试,通过对传热模型的仿真以及实验,分析了样品的散热性能.与现有的PCB封装结构相比,薄膜封装结构的散热性能远优于PCB结构,而且薄膜封装结构的工艺简单、成本低廉,适合于大规模的工业化生产,具有良好的应用前景.     

绝缘栅双极型晶体管脉冲工作时结温特性及温度分布研究

建立了电热耦合和损耗热场耦合计算模型,采用该模型,获得了相同外部条件下的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)芯片结温波动特性及温度分布特征,完成了使用红外热成像实时探测短时脉冲工作方式下IGBT芯片表面温度波动及分布特性的预测.探测结果表明,在一定散热条件和占空比不大的情况时,短时脉冲间歇等非周期瞬态工作方式下芯片表面温度快速上升之后,进入一个缓慢的上升周期,实验也表明,在特殊工作场合时可突破器件手册推荐使用的最大电流值.利用建立的热分析模型,还可以实现对不同工作方式下器件结壳温差和结温波动幅度的预测.     

焊料层空洞对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块温度分布的影响

作为新能源发电、电动汽车和智能电网的重要单元,IGBT模块得到越来越广泛的应用,其安全可靠性也受到更多的关注。当前功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件封装形式主要有焊接式和压接式两种;而其中焊接式发展较成熟,应用较广泛。作为构成IGBT模块的关键单元和实现IGBT模块功能的关键部分,焊料层的可靠性显得尤为重要。焊料层的失效形式主要有:空洞扩大、各材料的热膨胀系数不匹配导致的热疲劳;其中焊料层空洞由于焊接工艺局限性而难以避免。应用多物理场有限元仿真软件COMSOL,建立IGBT模块的三维模型;研究焊料层空洞不同位置、不同大小对IGBT模块芯片最高温度的影响;并研究新型材料Sn-Ag-Cu-0. 5Sb较传统焊料层材料Sn-Ag-Cu的优势。仿真结果表明同工况下,焊料为Sn-Ag-Cu-0. 5Sb时,芯片温度都比焊料为Sn-Ag-Cu时低一些,显示出较好的焊料性能。     

高温功率循环下绝缘栅双极型晶体管失效特征及机理分析

结合绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块结构和工作的不同阶段,分析了IGBT失效类型及其失效机理。深入分析了影响IGBT工作寿命的3种封装失效类型及失效机理。高结温、大温度梯度极端工作方式下主要的封装失效类型是键合引线失效,由某一根或几根过载引起电流分配不均引发,失效前压降大,热阻基本不变。通过分析得到IGBT模块的寿命值近似服从Weibull分布。实验过程中结合各类显微镜和红外热像仪得出的失效特征分布规律表明:经过功率循环后的芯片表面中心区域、边缘绝缘保护环原胞结构均由规则点阵变化为点阵中出现小的黑圈、空穴、裂纹,变得不再规则;各物理层接触面间的缺陷由芯片向下呈递减趋势;IGBT模块各物理层不平整度由基板向上呈递减趋势。通过实际实验发现,可将压降的突变位置作为IGBT可靠性评估的标准。     

相变热沉结构瞬态仿真计算

弹载电子设备体积小、重量轻、热耗高,且与外界绝热,散热问题是一难题。利用弹载电子设备短时间工作和相变材料高潜热的特性,进行相变材料散热结构一体化设计,优化传热路径,通过相变储能解决弹载电子设备短时间工作散热问题。为了评估相变材料结构作为热沉的散热效果和热设计符合性,提出一种相变过程等效比热容的瞬态仿真计算方法,并通过试验测试验证仿真结果,对比仿真计算与试验测试结果,两者最大相差2.5℃,为2.47%。试验结果表明仿真计算结果准确,相变材料等效比热容计算方法可行,为电子设备相变热沉散热结构瞬态仿真提供了新思路,新方法。     

变温热源热管式热电制冷器结构设计和性能分析

基于有限时间热力学理论,设计了一种冷却空气的通道结构,建立了基于热管散热的变温热源热电制冷器有限时间热力学模型.通过数值模拟方法对装置冷、热端热阻进行了分析,得到了沿管道流动方向制冷模块冷、热端温度和冷空气温度的变化规律;以制冷率密度和制冷系数为性能指标,分析了输入电流、入口温度、空气流速等关键运行参数和模块填充系数、...     

南京地区典型土体热学特性与预测模型

介绍了热探针测试技术及其理论,采用非稳态热探针对南京地区的黏土、粉土、细砂和粗砂4种不同岩土材料进行热阻系数测试,研究不同干密度条件下含水量改变引起的土体热阻系数的变化规律.研究结果表明:非稳态热探针可有效测试土体热阻系数;土体热阻系数随含水量增加而减小,当含水量接近或超过临界含水量时,热阻系数趋于常数;临界含水量由土体固有的基本特性所决定;干密度越小,热阻系数越大;热阻系数随颗粒粒径的增大而减小,颗粒粒径对土体热传导特性的影响还与其他因素密切相关.最后针对现有热阻模型存在的不足,基于试验结果和现有模型,提出考虑多因素的土体热阻预测模型,并通过算例验证了该模型的有效性和可靠度.     

粘接材料对功率LED热特性影响测试研究

分析了不同LED粘接材料的热阻特性,特性表明粘接材料的热阻特性与粘接材料的厚度及导热系数有关。粘接材料处于LED内部,无法直接测量其热阻,通过利用热成像仪拍摄热图进行热场测试,测试结果与理论分析结果相符。     

焊料层空洞对IGBT模块温度分布的影响

作为如今新能源发电、电动汽车和智能电网的重要单元,IGBT模块得到越来越广泛的应用,其安全可靠性也受到更多的关注。当前功率绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 器件封装形式主要有焊接式和压接式两种,而其中焊接式发展较成熟,应用较广泛。作为构成IGBT模块的关键单元和实现IGBT模块功能的关键部分,焊料层的可靠性更加显得尤为重要。焊料层的失效形式主要有：空洞扩大、各材料的热膨胀系数不匹配导致的热疲劳,其中焊料层空洞是由于焊接工艺局限性而难以避免的。本文应用多物理场有限元仿真软件COMSOL,建立IGBT模块的三维模型,研究焊料层空洞不同位置、不同大小对IGBT模块芯片最高温度的影响,并研究新型材料Sn-Ag-Cu-0.5Sb较传统焊料层材料Sn-Ag-Cu的优势,仿真结果表明同工况下,焊料为Sn-Ag-Cu-0.5Sb时,芯片温度都比焊料为Sn-Ag-Cu时低一些,显示出较好的焊料性能。     

电动汽车变流器用IGBT水冷散热器热仿真分析

以某电动汽车变流器用IGBT水冷散热器为研究对象,考虑到IGBT水冷散热器内部各槽道平均雷诺数(Re)处于过渡区,利用FLUENT软件分别采用层流、标准k-?湍流模型和6种低Re数湍流模型计算IGBT水冷散热器的稳态结果。运用自主开发的模型降阶计算程序对IGBT水冷散热器进行瞬态问题快速计算,在验证模型降阶方法准确性的基础上,对基于中国典型城市道路工况的瞬态热仿真进行快速计算,得到IGBT元件各芯片在不同时刻的温度变化曲线。研究结果表明:该水冷散热器的散热性能满足中国典型城市道路工况的需求。