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IGBT功率器件热阻网络系统散热分析与设计

绝缘栅双极晶体管（insulatedgatebipolartransistor，IGBT）功率半导体模块作为新能源转换系统和高压电源开关装置中的关键部件，代表了一种新型的功率半导体场控自关闭电子器件。广泛应用于照明、汽车、高铁、等领域，未来10年是IGBT功率模块发展的黄金期，它在频率较高的中大功率应用中占据主导地位，目前尚未发现有其他产品可以替代IGBT功率半导体模块在电力电子设备中的关键作用。IGBT功率半导体模块的弱点是过压过热。因此，它处理热量的能力限制其高功率的应用。IGBT结合了金属氧化物半导体场效应晶体管（metal‐oxide‐semiconductorfield‐effecttransistor，MOSFET）和双极型晶体管（bipolarjunctiontransistor，BJT）的优点，具有驱动电路简单、低稳态损耗、承受短路能力强等优势，IGBT功率半导体模块的各项参数和工作性能也有了很大的提高，更适用于电力电子器件，它是大功率半导体中最具代表性的平台器件，能大幅提高电机驱动的效率。IGBT作为电力电子控制电路的核心之一，推动电力电子器件的发展，近年来，快速发展，并在冶金、可再生能源等多种不同行业得到了广泛的应用，有助于利用可持续清洁能源缓解全球化石能源危机和环境问题。

然而，作为大功率变换器的关键部件，IGBT的热流密度趋向于高功率、高集成度发展，模块也因其高频传导和开合而不断集中产生大量的热，影响器件的性能。大部分的IGBT功率半导体模块的失效原因都与热量有关。如果没有有效的散热方式，模块温度将很快达到甚至超过结温（150℃），严重影响IGBT的工作性能、安全性及可靠性，使开关断速度、通态压降、电流拖尾时间、关断电压尖峰和损耗等性能指标变差，温度过高甚至会导致整个器件乃至整个系统模块的损坏，对IGBT的安全性和可靠性构成严重威胁。为了满足IGBT器件应用日益增长的要求，容量和可靠性成为IGBT器件面临的巨大挑战。与其他电子设备类似，一个高效、稳定、方便和紧凑的冷却系统对IGBT器件的设计具有重要意义，以确保其安全和稳定的工作。对IGBT功率器件进行热管理设计，是解决IGBT功率器件散热的必要措施和有效手段。本文综合概括了当前国内外IGBT功率模块热管理的研究现状、研究热点以及散热相关技术，并进行了全面的整理与分析，为解决IGBT模块散热设计的问题提供了重要的参考价值，进一步为器件热性能的可靠性设计和优化奠定理论基础。

1?IGBT功率器件热阻网络系统

通常情况下，IGBT功率器件的向下散热传递路径可描述为：当IGBT功率器件通电时，在电压和电流的作用下，IGBT芯片由于存在通态损耗和开关损耗而产生大量的热。散热路径由上到下依次为：芯片→陶瓷覆铜板→基板→散热器，最终由散热器与空气通过对流传热和辐射传热，利用主动散热或被动散热将热量带走，整个传导过程中存在热阻，热阻是影响IGBT功率模块散热的主要因素，要想增强散热效果，减小热阻是最主要的方法。

图1所示为逆变焊机中IGBT功率模块热传递原理图。通过锡焊工艺将芯片、陶瓷覆铜板和基板焊接在一起，基板和散热器之间涂抹导热硅脂，增强导热。

图1IGBT热传递原理图

逆变焊机中IGBT功率模块系统结构上可以分析出热流传递通道为：芯片→芯片焊接层→铜→陶瓷→铜→系统焊接层→基板→导热硅脂→散热器→环境。殷炯等提出一种热阻等效电路的方法来确定散热系统热阻参数对系统热阻的影响，参数包括功率元件材料和结构特性、散热器与模块表面接触情况等，结果得出不同风速对冷却效果的影响程度以及保证模块可靠工作的最低风速；邓二平等通过用两种不同测试方法进行热阻测试并对比研究，结果显示传统热电偶法只适用于测量焊接式IGBT模块结到壳热阻值，瞬态双界面法既适用于测量焊接式IGBT模块结到壳热阻值，也适用于测量压接型IGBT模块结到壳热阻值。

热阻网络主要由3个环节所构成：材料体积热阻、热界面材料热阻、元件到环境热阻。因此，从IGBT芯片到环境温度的总热阻模型可以表达为：R＝Rjc＋Rcs＋Rsa（１）

式中：Rjc为IGBT芯片到铜基板的热阻；Rcs为铜基板到散热器的热阻；Rsa为散热器到外界环境的热阻。

目前，IGBT功率模块内部结构已经很成熟，众所周知，要想减小模块内部的界面热阻和材料热阻十分困难。因此，现在的散热偏向于对Rsa的研究，目的是减小热阻，尽快的将模块产生的热量散热到空气中，降低模块温度。本文主要综述了IGBT模块到环境的散热技术，主要分为主动散热和被动散热，散热技术涉及热管散热技术、基于PCM的散热器、空气射流和液体射流等。

2?IGBT功率模块散热分析与设计

IGBT作为能量变换与传输的核心元件，广泛应用于化工