IGBT 功率模块热管理研究简述

日期:2022-05-24 来源:热管理阅读:228
核心提示:绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,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

摘要: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。

关键词:IGBT 功率模块 热管理 热管

绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,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‐semiconductor field‐effect transistor,MOSFET )和双极型晶体管(bipolar junction transistor ,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 1 IGBT 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、冶金、轨道交通和新能源等领域,为利用可持续清洁能源缓解全球化石能源危机和环境问题做出了大量努力。功率模块通过热传导、热对流和热辐射的方式将热量传递到大气中。针对 IGBT热量密度和应用场景不同,需要用不同的散热方式,主要分为被动散热和主动散热。两者主要区别在于被动散热是通过自然对流散热将热量散发到大气环境中,不借助外界力,主动散热是利用风冷或水冷的散热方式,借助外力通过强制对流传热将热量散发到空气环境中。被动散热比主动散热结构简单、成本低、可靠性高,但散热效果不太明显,主动散热由于借助外力散热效果好,冷却速度快。基于热阻网络系统模型对 IGBT 功率模块进行散热分析与设计,有可能达到最优的散热效果。

3 IGBT 功率模块散热技术

3.1 被动散热

3.1.1 翅片散热技术

IGBT 功率模块产生的热量通过散热器翅片自然对流散发。根据对流散热的牛顿冷却公式,对于面积为 A 的接触面,自然对流散热的散热量为:

Ø=AhΔt(2)

式中:Ø 为散热量;A为散热面积;h为对流换热系数;Δt 为温差。可见,散热器可以通过增加 A 和增大h 来强化散热效果 。

当 IGBT 功率模块发生自然对流散热时,其中影响翅片散热流场的力主要分为2大类:自然对流流场驱动力与翅片阵列阻力。图2所示为2种不同翅片的排列形式示例,相关参数:翅片间距、结构、高度、方位等都会影响翅片的散热效果。Charles等构造了不同形状的翅片,包括梯形、倒梯形、矩形等。实验结果表明,倒梯形的传热系数比梯形和矩形分别高25% 和10%。设计并优化水平板翅片散热器的翅片厚度、高度和间距,一般以使用最小材料和散发最大热量为目标。

图2 散热器不同的翅片排列方式

常用的散热片材质是铜和铝合金,通过压铸、挤压等工艺制造而成,一般散热器材质是铝合金,铝合金不仅导热性能好,而且性价比高。Chang等开发了石蜡/石墨纳米板复合相变材料直翅散热片,用于 IGBT 的热管理。铝散热器空腔中存储复合相变材料(pulse code modulation,PCM ),GNPs 作为一种有效的热媒体,增强 PCM 活性以提高石蜡热导率,采用差示扫描量热仪进行试验研究熔体等热性能、凝固温度和潜热,最终发现复合材料的热导率提高了近5倍 。

3.1.2 热管冷却技术

热管作为两相传热设备,它们具有低传热温差、高传热性能、小尺寸和出色的温度一致性的优点,并且热管的机制和工作原理简单,不需要机械维护,提供了非常有前途的解决方案。根据蒸发/冷凝循环,热管具有高有效热导率,并具有纯被动方式运行的优点。热管由密封的容器、管芯和一定量的处于液/气状态的工作流体组成平衡。热量从外部施加到蒸发器,并由冷凝器的外部散热器释放。由于冷热段之间的压力差,产生的蒸气从蒸发器被驱动到冷凝器。由凝结产生的液体通过芯吸结构的存在而产生的毛细泵作用流回蒸发器。

热管因其高导热性能散热效果好,在 IGBT 半导体功率模块散热领域中广泛应用,IGBT芯片以热传导的散热方式将热量传递到基板,基板再通过热管在全封闭真空管壳内工质的蒸发与凝结将热量散发到空气中,达到散热的效果。热管散热器的工作原理示意图,如图3所示。

图3 热管散热器原理图

一般热管不单独作为散热器使用,通常嵌入翅片,散热效果更好。Xiahou 等研究分析了现有IGBT 功率器件散热器的结构,通过设计和优化阵列冷端平面热管,降低了 IGBT 功率器件,增强了散热效果。图4为传统热管散热器与阵列冷端平面热管对比图。

图4 2种热管单元对比

图4(a)与图4(b) 分别为传统热管散热器与阵列冷端平面热管中的单管。图4(b)中的空心基板与热管通过焊接成为一个空腔整体,将蒸发端作为整个基板底面,增大蒸发端热接触面积且具有均温效果。去除了基板的导热热阻、热管与基板间的接触热阻,传热性能更好。Huang 等提出一种新型的对称且高度连续变化的翅片阵列,如图5所示,通过减小流阻来改善自然对流换热。

图 5 带有可变高度翅片真阵列的热管散热器

通过三维数值计算,比较不同高度可变翅片阵列的热管散热器的传热性能。研究表明,增加散热片间距(s)和最大散热片高度差(p)可以大大降低单位功率的材料成本 Mtot,但对总热阻 Rtot 影响更复杂。并且基于响应面法,以最小 Rtot 和 Mtot 为目标,融合 NSGA‐II 和 TOPSIS 的两阶段方法,进行了参数研究和多目标优化分析,获得的帕累托解集在参数状态图中呈区域分布,表明 s 和 p 对系统性能密切相关,而不是相互独立的。

影响热管散热器的因素有很多。徐鹏程等通过分析热管散热器,建立热管散热器模型并进行数值模拟,探究了影响热管散热器热性能的影响因素:翅片的厚度和间距,结果表明了翅片的厚度与间距变化时,散热器的摩擦系数与传热因子的变化情况。汪双凤研究了影响热管散热器极限热输送的因素:冷凝段长度、脉动热管加热段,结果显示,要使得极限输送能力最大,在低充液率情况下,必须满足加热段长度等于冷凝段长度;在高充液率情况下,必须满足加热段长度大于冷凝段长度。

在过去的十年中,已经有许多研究人士对许多小型原型进行了广泛的研究,表明可以获得与金刚石基板相当的散热性能。蒸气室是类似于热管的密闭容器,利用相变来增强散热效果,这引起了人们对电子行业的兴趣。一些研究人士将蒸汽室集成在DBC 与散热器之间,用于替代金属基板增强散热。Zhang 等对集成的电力电子模块进行了研究,将蒸汽室(vapour chamber ,VC)取代金属基板集成于DBC 与散热器之间,消除了模块与散热器连接的接触热阻,模型如图6所示。与传统金属散热片相比,VC 将集中的热源大大扩散到更大的冷凝区域,重量轻、几何柔性好和较大的冷却面积,将大大增强了IGBT 模块的散热效果。Chen 等开发了一种新型的散热管理系统用于 IGBT 电源模块冷却。将模块与基于蒸气室的散热器集成在一起,以降低热阻并显著提高温度均匀性。模型如图7所示,与传统散热器相比较,芯片结温、芯片内温差、最大热应力都有所降低,提高了 IGBT 模块的工作性能。

图 6 基于 VC的模块结构

图 7 模块示意图

圆柱形热管结合翅片一般适用于散热空间富裕的电子设备。扁平热管/蒸汽室的主要优点是温度均匀性高,广泛用于局部散热中,在一些小型电力电子设备中,往往由于有限的热源和散热区,很难有效利用传统的圆柱形热管增强散热 。

3.1.3 基于 PCM 的散热器

作为强制空气/液体对流冷却之类的热管理方法的一种替代选择,PCM 冷却是一种简单实用的被动热管理解决方案,近来引起了研究界的广泛关注。PCM 的优点是:较高的熔化潜热可提供高能量密度,可控制的温度稳定性以及相变时体积变化小。然而,PCM 的导热率相对较低,在散热器中嵌入金属散热片,插入多孔金属结构,嵌入热管以及将高电导率的金属泡沫和纳米颗粒与 PCM 混合在一起以增强散热器的性能,这些被称为导热率增强剂。

Desai 等提出翅片用于改善 PCM 模块的导热性,进行数值研究以找到最有效的散热片配置,该配置将限制热控制模块(thermal control module,TCM)的临界温度(Ter),如图8所示。实验中要考虑的重要翅片参数是鳍片的尺寸,数量,形状和质量百分比。结果表明,盖板温度随着每1/4几何形状的翅片数量从9增加到100而降低,同时翅片数量的增加增强了局部热扩散到 PCM 中,并导致临界温度值降低。

图 8 不同翅片数量和不同翅片质量分数的 TCM

实验研究表明,在基于 PCM 的散热器中嵌入不同的金属结构有利于增强散热器的热性能。Xie等提出了一种创新树形金属结构,嵌入基于PCM 的散热器中,以更好地将热量从集中的热源扩散到 PCM 外壳中,模型如图9所示。数值模拟研究了自然对流条件下嵌入不同类型金属结构的基于PCM 的散热器的热性能,具体包括常规的板翅结构和通过拓扑优化获得的创新树形结构。其次,Xie等针对同一创新树形金属结构进行了进一步地研究 ,实验以金属体积分数为20% 和30% 的2个板翅式散热器结构 PCM 外壳为基准,生成金属体积分数相似的18.7% 和27.6% 的优化树形结构进行比较。建立基于流体体积(volume of fluid fluid volume,VOF)和焓‐孔隙率方法的研究方法,以研究 PCM 外壳的动态热行为。

图 9 创新树形金属结构图

基于 PCM 的散热器主要是利用相变原理进行散热,在热管理领域,PCM 可用于间歇性工作的电子组件的被动冷却或热缓冲。当 PCM 熔化时,它将吸收大量的热量,保护电子组件免于过热。组件停止工作后,PCM 模块吸收的热量释放到环境中,PCM 固化以准备下一次热冲击。

3.2 主动散热

散热器的散热方式分为主动散热和被动散热。通过翅片与空气之间的热对流和热辐射进行散热的过程是被动散热,被动散热没有借助外力,主动散热的方法则在此基础上增加外力,如风扇、液冷等方式来增强散热,可有效提高散热器的散热效率1~2个能量级,动散热一般分为2种形式:风冷和液冷散热技术。

3.2.1 风冷散热技术

随着 IGBT 功率器件的高集成化、大功率化,散热问题越来越突出,对 IGBT 功率半导体模块的冷却要求也越来越高,很难为具有空气冷却的大功率和热通量 IGBT 模块提供足够的冷却,自然对流冷却技术已经不能满足 IGBT 功率器件的散热需求,因而需要采用强制风冷散热技术,加快 IGBT 模块冷却,降低模块温度。强化风冷散热的措施主要为增大散热面积、提高换热系数和合理设计风道。

郭宪民等分析与研究了气体式冷板,建立了冷板表面热源的非均匀分布下的数学模型,如图10所示,热量传递路径为:底板→冷板通道 →气体流体。赵连全等通过实验分析研究了高温钢板在空气射流冷却中的瞬态传热特性,见图11,结果显示换热系数受过程中被冲击表面的温度变化的影响,提高气体流量可以提高换热能力。邱海平等研究探索了泡沫铝翅片在 IGBT 功率半导体模块中的散热性能,结果显示:不同于普通的翅片散热器,因为比其表面积和内部不规则通道的存在,泡沫铝翅片散热器可以强化 IGBT 功率器件传热 ,降低功率器件的温度 ,提高电力电子器件的工作性能和可靠性。

与自然冷却相比,强制风冷的散热量可提高5~12倍。但强制风冷存在需要配置风机与风路的问题,其可靠性及冷却效率仍然较低,且会产生较大噪音。

图 10 冷板内气体流动

图 11 空气射流示意图

3.2.2 液冷散热技术

当 IGBT 处于高频作业状态时 ,热损耗导致模块温升持续增加,会严重影响 IGBT 功率半导体器件的工作性能,同时元件的可靠性降低,大大减小元件寿命,超过一半的 IGBT 器件损坏是由热故障引起的,因此热管理很重要。尤其当设备的功率很大时(兆伏安级),风道设计、风压提供与噪声指标等条件,实施起来会十分困难,传统的强制风冷散热技术已不能够很好地满足设备散热要求,水冷散热能力更强,更适合应用于大功率 IGBT 功率半导体器件的散热系统中,目前水冷散热技术也逐渐被广泛应用。

目前,水冷散热技术已经非常成熟。张程等研究了 IGBT 大功率模块水冷散热系统的设计,通过进行仿真和工程实验,解决了 IGBT 冷却系统参数设计难题,最终提出一种基于相似理论的水冷散热系统的热路等效热阻求解公式,研究得到一、二次冷却结构参数设计方法。姜坤等对直接水冷 IGBT 功率模块翅针散热器进行了研究,通过有限元仿真分析,总结了各主要参数对散热性能的影响规律,证明了翅针散热器散热效果最好时的翅针直径、翅针间距、翅针长度和流量。

图 12 液体射流冷却

直接冷却技术还包括喷射冷却散热。Navodo探索了喷射冷却方法,如图12所示,利用射流冲击发热模块表面,结果显示滴径增加可以使换热系数增强。

Oliphant 等实验对比研究了喷雾冷却和射流冷却的传热性能,如图13所示,喷雾冷却利用强大压力使液体雾化喷射到发热块表面,达到降温的效果,结果表明喷雾冷却传热的效果更好。

图 13 液体喷雾冷却

功率模块直接与冷却液接触,无接触热阻,且具有较好的均温性。研究表明直接液冷的散热能力可达800W/cm2。

通常,按照是否带有铜基板又可将其分为间接液冷和直接液冷。通过研究,不带有铜基板的散热结构能够有效降低散热模块整体热阻达20%~40%,主要是因为去除铜基板的同时能够去除导热硅脂涂层,导热硅脂涂层虽然厚度很薄,但是其导热系数极小,对散热极为不利,会产生极大的导热热阻。因此,现用的液冷散热结构大都使用不带有铜基板的直接液冷散热方案。

4 结语

IGBT 功率半导体模块作为当前电力电子器件的核心部件,而热量的累积会严重影响器件的安全性、可靠性及工作性能 ,散热问题越来越突出,对模块冷却的要求也越来越高。为适应 IGBT 功率半导体元件向高功率、高集成方向发展,在分析 IGBT 散热的基础上,为进一步提高 IGBT 的冷却效果,当前已有的翅片散热、风冷和液冷散热、传统热管散热和基于 PCM 的散热器等技术已比较成熟,但综合其传热性能、运行可靠性以及系统成本等种种因素,相变冷却、强制液冷和微冷却技术成为当今散热研究热点。本文重点介绍了翅片、风冷和液冷以及热管、相变散热技术的相关新发现。综合考虑系统各项因素,更适合 IGBT 功率半导体元件散热需要的技术是集传统热管原理与结构进行优化的热管技术,未来一个重要方向为对传热性能和优化结构的研究。

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