0 引言

    絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)模塊作為中壓、大功率典型的變流器件，在能源并網系統(tǒng)中的使用非常廣泛。研究IGBT的可靠性為研究變流裝置的可靠性乃至能源并網系統(tǒng)的可靠性都有非常重要的意義^[1]。溫度是IGBT模塊最重要的參數，它不僅影響著IGBT的電學特性，而且影響著IGBT模塊的可靠性。以往對IGBT模塊的溫度參數分析主要采用電熱耦合仿真的方法，得到IGBT模塊的結溫值，但由于結溫值假設IGBT模塊的溫度分布是均勻的，因此是不準確的。本文對于IGBT模塊的溫度參數運用有限元分析方法得到二維溫度場分布圖，比結溫方法更精確。且本文考慮到IGBT模塊的在并網系統(tǒng)中的應用，得到了IGBT模塊在該應用下的溫度場分布，為IGBT模塊的在線溫度監(jiān)測提供了一定的理論基礎。

1 原理

    IGBT模塊有近60%的失效是由溫度引起的，溫度每上升10 ℃，器件失效概率以近2倍的速率上升^[2]。因此研究IGBT模塊的溫度分布對于研究IGBT模塊的可靠性很重要。IGBT的溫度升高需要能量，這個能量由IGBT模塊的功率損耗提供。由IGBT的結構特性和工作原理可知：IGBT模塊可近似認為由MOSFET和PNP晶體達林頓連接而成，其單元結構及等效電路如圖1所示。

    在導通過程中可近似認為和MOSFET的導通過程一致。同MOSFET一樣導通過程存在電壓延遲下降時間，關斷過程存在電壓延遲上升時間。導通和關斷過程均會產生功率損耗，并由此引起局部溫升。

    IGBT的總損耗主要由穩(wěn)態(tài)損耗和暫態(tài)損耗構成^[3]如式(1)：

    為了對IGBT模塊的溫度場分布進行分析，采用圖2所示的Cauer網絡對IGBT模塊的7層結構進行等效^[4]。運用電熱比擬理論在這個網絡中將7層結構中的每層都等效為一組并聯的RC網絡，電流的大小和方向等效于溫度的高低和傳導方向，最后的電流源T相當于環(huán)境溫度。構成了IGBT模塊的熱傳導模型。

2 仿真

    首先在MATLAB里搭建直流并網系統(tǒng)仿真，如圖3所示，得到IGBT的輸出電壓V_ce波形（圖4），在導通過程中，集射極電壓下降的過程分為兩個部分，第一部分是IGBT中MOSFET單獨工作時的電壓下降過程，第二部分是MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。由于集射極電壓下降時IGBT中MOSFET的柵極漏電容增加，并且IGBT中PNP晶體管的工作狀態(tài)由放大狀態(tài)進入飽和狀態(tài)也需要一個過程，因此此部分電壓下降過程變緩。關斷過程中，當柵極電壓降為0后，由于載流子的復合是需要時間的，這也就使關斷電壓的上升過程變緩。將該波形作為溫度分布仿真中載荷的來源，但由于ANSYS仿真軟件本身對載荷是有要求的，因此這個輸出波形需進行處理才能作為熱仿真中的載荷。經過多個單元近似線性得到了如圖4所示波形，但MATLAB里的IGBT模塊作為理想的仿真模塊沒有考慮寄生電感的作用。從文獻[5]中可以查出，正常關斷過程中的尖峰電壓約比關斷時電壓高出20%。所以在對載荷進行處理時考慮了尖峰電壓，得到了如圖5所示的載荷，作為ANSYS仿真建模里所施加的載荷。

    模塊的熱傳導模型采用IGBT典型的7層結構，如圖6所示。7層結構自上到下分別是：鍵合線、芯片、芯片焊接層、銅鎳層1、陶瓷襯板、銅鎳層2、基板焊接層和基板。圖中的箭頭為IGBT模塊的熱傳導方向。在進行計算前先建立模型，對幾何模型做出如下假設：

    (1)在這個剖面圖中沒有考慮門極，因為門極和芯片不在同一個襯板上，且門極電壓值遠小于模塊的集射極電壓值，所以此次建模不考慮門極電壓作用產生的溫度場；

    (2)IGBT模塊內部各層之間存在熱量的傳導，模塊與外部環(huán)境存在對流和輻射^[6]。在此次建模中我們只考慮占主導作用的自上而下的豎直方向上的熱傳導，忽略側向對流和輻射作用；

    (3)本次建模只針對單個芯片模塊，不考慮輸入輸出端子僅以端子連接處部分代替輸入輸出端子；

    (4)假設模塊處在理想情況下,模塊內部的焊料層均勻無缺陷，模塊的各種材料的屬性參數不隨溫度的變化而變化，假設模塊周圍的環(huán)境溫度不發(fā)生變化。

    在基于上述幾何模型假設的情形下，利用基于網格劃分的有限元法，進行三維溫度場熱仿真分析。經網格劃分后為90 334個單元，507 851個節(jié)點。從文獻[7]中可以查找出各層的材料屬性參數，假設模塊底部所安裝的散熱器散熱足夠好，模塊底部溫度恒為25 ℃。器件基板的4個側面與外界的對流換熱系數為8.76 W/(m²·℃)。

3 結果

    圖7是利用Cauer網絡模型進行的IGBT模塊溫度場分布圖。從溫度場分布圖中可以看出，仿真結果顯示最大溫度值為192 ℃。將圖中的溫度分布按從高到低分為9個等級，溫度最高顯示為9級，最低顯示為1級。

    從圖中的可以看出第5 級（118 ℃）及以下的溫度場分布中出現各向異性。這可歸因于這幾層溫度分布靠近器件邊緣，環(huán)境溫度遠遠低于溫度場溫度，熱量的傳遞就會趨向于溫度梯度▽T更大的位置。從模型剖面圖看，熱量的傳遞符合傳導模型自上而下的垂直傳導方向，且溫度較高的位置出現在芯片四周，符合IGBT模塊失效特征分析中的邊緣易損壞的特征。這同試驗人員用試驗方法測得的集射極過電壓引起的失效位置通常在有源區(qū)的四周邊沿處[8]的結果相一致。過電壓失效是由于溫度升高引起的，因此溫度的最高點也存在于有源區(qū)的四周邊緣處，這就是為什么四周邊緣處溫度高的原因。

4 結論

    本文在ANSYS里做了一個仿真試驗，這個試驗采用有限元分析的方法得到了IGBT模塊的溫度場分布不均勻。IGBT模塊的溫度最高區(qū)域位于芯片的四周外沿處。這同以前的實驗結果相符合，這歸因于在熱仿真過程中考慮了IGBT模塊開關瞬間的電壓緩變。本文構建的仿真主要有兩方面的重要意義：其一，從模塊本身講，本文構建的試驗仿真因為仿真過程中的載荷考慮了IGBT關斷過程中的暫態(tài)過程而更真實，所以仿真結果更為準確。為IGBT模塊的可靠性檢測提供了一種較為準確的試驗方法，可以使用于IGBT模塊的壽命檢測，并且比傳統(tǒng)的壽命檢測方法更為安全可靠。運用該仿真方法研究IGBT模塊的溫度場分布和可靠性問題，為IPM技術發(fā)展過程中解決功率部分高溫對邏輯部分的影響提供了理論借鑒。其二，在實際應用過程中，設計人員為了避免IGBT由于溫度升高引起的失效而通常采用降級使用^[9]，這對于模塊的合理使用是不恰當的，而根據本文試驗仿真的結果來選取模塊比依靠傳統(tǒng)的方法來選取更為精確，使模塊以及模塊所在的系統(tǒng)得到合理利用。本次仿真系統(tǒng)所搭建的仿真模型為實現功率模塊的實時在線檢測提供了理論依據，在仿真系統(tǒng)里是可以直接觀察到IGBT模塊的整個溫度場分布的。而功率模塊的失效將直接引起的變流裝置的輸出電壓不符合并網要求，嚴重危害電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，監(jiān)控IGBT等功率模塊的溫度變化為避免無防備失效引起的危害提供了明確的警示作用。

參考文獻

[1] 唐勇，汪波，陳明，等.高溫下的IGBT可靠性與在線評估[J].電工技術學報，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] 白保東，陳德志，王鑫博.逆變器IGBT損耗計算及冷卻裝置設計[J].電工技術學報，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] 毛鵬，謝少軍，許澤剛.IGBT模塊的開關暫態(tài)模型及損耗分析[J].中國電機工程學報，2010，30（15）：40-47.

[6] 方杰，常桂欽，彭勇殿，等.基于ANSYS的大功率IGBT模塊傳熱性能分析[J].大功率變流技術，2012(2)：16-20.

[7] 董少華，朱陽軍，丁現朋.基于ANSYS的IGBT模塊失效模式[J].半導體技術，2014，39(2)：147-153.

[8] 馬晉，王富珍，王彩琳.IGBT失效機理與特征分析[J].電力電子技術，2014，48(3)：71-73，76.

[9] 陳明，胡安，唐勇，等.絕緣柵雙極型晶體管傳熱模型建模分析[J].高電壓技術，2011，37(2)：453-459.

作者信息:

皮凱云，崔昊楊，李  祥，李  鑫，束  江

(上海電力學院 電子與信息工程學院，上海200090)