本文對IGBT芯片的電熱性能進行了廣泛的研究，用于IGBT芯片中的3D封裝結構。

在過去的幾年里，半導體技術取得了長足的進步，特別是在電力電子領域，在研究和重工業應用中的應用。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊在高工作溫度、快速開關速度、更高可靠性等應用中發揮著至關重要的作用。在這種情況下，獲得精確的結果至關重要，因為如果計算不正確，電路甚至操作電路的用戶可能會產生多種危險結果。

功率模塊的磁熱分析

所進行的實驗提出了一種模擬，其中，在電路操作期間測試了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、發射器和柵極）與模塊外部端子之間的寄生特性由該電磁網絡表示。電熱IGBT芯片模型是在電路中構建的，使用實驗測試結果或數據手冊的曲線擬合和加權插值來表示工作點條件的依賴性。該電熱模型充當熱網絡和EM網絡之間的重要鏈接，必須接受來自每個芯片的Tj信息并將功率損耗值返回給前者，接受現有信息并將芯片導通狀態壓降（Vce（on））值恢復到后者。

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電阻和電感值的數據，例如從模塊的DC+電源端子到高端開關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令人興奮的話題，因為它包括可用于使用ROM方法克服多個障礙的技術。

在進行測試時，考慮了所有熱特性以及底部完整冷卻邊界的假設，以進一步簡化和提高效率。此外，在底部過程的模擬過程中，底板溫度設置為90

。

圖3：僅對U5施加功率損耗時的溫度分布

如上所示，圖3描述了整個封裝結構的熱行為，記錄了該結構以研究精確的電熱耦合。

圖4：Icepack SVM、辛普勒熱網絡和實驗試驗結果對比

圖4顯示了提取過程的有效性，以證明其與不同結果的比較。例如，在Icepak FVM仿真，Simplorer熱網絡仿真和實驗測試結果之間進行了比較，以檢查低邊開關的熱阻。具有熱網絡拓撲的圖形顯示了與標準FVM仿真相同的仿真結果。IGBT的均流特性取決于模塊封裝中寄生元件的頻率，其中還包括傳導路徑的電阻和電感。在應用過程中，IGBT模塊應用中從外部母線端子到芯片表面的每條傳導路徑都可能對電流在芯片之間的分布方式以及每個芯片的自身開關方式產生影響。這使得模塊表征從所有外部端子到每個芯片表面的寄生值非常重要。

模擬和結果

一旦IGBT芯片模型的提取過程完成，就會考慮熱和電磁網絡的仿真及其分析表示，以研究它們在斬波電路中的模塊性能。在這種斬波器電路中，當IGBT模塊在高頻下工作時，設置一個900V直流電源，負載并聯到三個IGBT開關和三個FRD芯片的高邊開關

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芯片在設定的90°C時的開啟和關閉，fsw是開關頻率。

電熱仿真： 如下圖所示，在獲得仿真輸出時，在電氣仿真上方增加了一個熱網絡。通過將電熱芯片模型的熱引腳鏈接到熱網絡，可以動態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算出的功率損耗輸入熱網絡。

圖5：電熱仿真拓撲

電磁-電熱仿真

如上所示，應始終檢查顯示阻抗和寄生元件不同不平衡的熱網絡和電磁網絡，以確保平穩運行。在電磁電熱分析中還使用了具有零維設置的網絡。

圖6：電磁電熱仿真拓撲。

在圖6中，EM和熱網絡集成在仿真電路中。使用EM網絡，IGBT芯片電熱模型在工作期間嵌入到應用電路中。

圖7：仿真結果（a）芯片的柵極驅動器電壓和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）顯示了三個并聯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隨時間的變化（d）。如果IGBT中存在溫度不穩定，則可能會出現各種長期問題，這些問題可能會增加功率損耗和熱應力。

四、結語

研究了具有EM-電熱耦合的IGBT半導體功率模塊的行為，以及均流特性和熱特性。所進行的仿真結果完全符合預測，使其在各種物理和電子領域進一步擴展。通過獲得的結果，可以說揭示IGBT功率模塊封裝對芯片電熱行為的影響的機會更高。隨著對該主題的更廣泛研究，此類系統甚至可以部署在復雜的設備中并具有增強的可靠性。
審核編輯：陳陳