【经验】Vincotech（威科）IGBT功率模块热行为分析

时间： 2018-10-09 来源：Vincotech

技术问答

在工作过程中半导体的结温会增加，当热能超过元件的公差阈值，就会显著降低半导体的寿命，所以必须使用冷却系统将积聚的热能消散掉。工程师需要在工作模式下了解半导体的结温，以确保元件的可靠性。由于结不直接与散热器连接，因此在散热器计算中必须包括结与其冷却系统之间的热阻。本文以VINCOTECH（威科）推出的10-0B066PA010SB-M993F09系列IGBT功率模块为例来说明其热特性，并描述Vincotech电源模块中集成NTC热敏电阻的用途和优点。

Vincotech（威科）推出的10-0B066PA010SB-M993F09系列功率模块，采用绝缘栅门极晶体管（600V）技术，安装了单螺杆散热器，具有更好的散热性能，采用紧凑型flowPACK 0B封装，尺寸小，寄生电容极小，具有快速安装的优势，可应用在工业变频器、光伏逆变器、开关电源等。

图1：有和没有基板的10-0B066PA010SB-M993F09系列功率模块

上图是10-0B066PA010SB-M993F09系列IGBT功率模块设置的两个变体，一个是用基板填充的，另一个没有。基板引入附加层，其直接影响功率模块的热特性。Vincotech模块底板的导热系数很高，因此有基板的模块的热扩散比没有基板的模块更广；散热器连接的质量也会影响热性能。Vincotech推出的功率模块经过预先弯曲，可在整个连接表面上实现均匀的压力，从而降低了传热阻力。但是，仍然需要使用导热油脂来平衡表面上的局部凹陷。Vincotech也可以提供这种材料，使用导热油脂是一个非常方便的热传递方法，它是一种预涂的导热材料，这种材料可确保恒定的传热速率。

表征功率模块的热行为

Rth描述了热阻，其表示给定材料抵抗热流的能力。半导体应用的这个关键的准静态参数可通过以下公式来定义。其中T1为测量点1的温度（例如结温），T2为测量点2的温度（例如散热器温度），Pth为功率损耗。

另外，不同冷却方式对Rth的影响也不同。在某些情况下，即使内部模块配置相同，计算出的Rth也会因模块而异。差异可归因于测量ΔT的方法和散热器的类型。在Vincotech的测试装置中，模块安装在水冷铜散热器上，所以半导体，DCB和底板内的热量扩散非常少。因此，Rth（j-s）在具有非强制冷却元件或具有较低导热性的其他散热材料（例如铝）的测量装置中较高，而导热油脂的类型及其层厚度也对Rth产生很大影响。测量表明，在相同条件下测量时，使用Vincotech相变材料的Rth（j-s）比普通导热油脂低近30％。同时，在风冷测试装置中表征的Rth（j-s）比在水冷系统中低约10％。

图2：模拟 - 水冷散热器与风冷散热器热成像图

如上图所示，两种冷却方法产生明显不同的热扩散模式。使用水冷式散热器，温度传播得更加均匀，从而热量通过窄通道很好地散发。风冷系统内的散热稍微差一些，但热扩散范围更宽。这就是为什么尽管水冷散热器是更有效的冷却方法，但风冷系统能产生更好的Rth。

Rth值有助于工程师在测试和标准操作期间了解半导体的温度，10-0B066PA010SB-M993F09系列功率模块内置一个NTC热敏电阻（Vincotech在大多数功率模块中都包含一个NTC热敏电阻），可以轻松获得该值，实时监测内部温度变化。但是需要注意，集成的NTC热敏电阻通常距离功率元件很远，有时甚至不在同一个DCB上，因此检测到的NTC温度与结点或散热器温度之间始终存在差异。在监测操作系统时，必须将这种差异考虑在内。

图3：典型的NTC位置

此外，NTC值很大程度上取决于热扩散。在极少发生扩散的系统中，映射温度比在较宽模式下传播热量的冷却方法低。分析这种行为并获得更准确的当前温度读数是很重要的，测量与估计结合起来才能对NTC做较好的评估。

图4：10-0B066PA010SB-M993F09系列功率模块内的热扩散

开发过程中的热测试：

建议在开发电力电子系统时，在热应力下测试器件。大多数Vincotech功率模块都内置了NTC热敏电阻，一些没有内置热敏电阻的模块外壳应该旁边放置热电偶。因为热电偶在组合材料中的热传播方式不同，所以热电偶的位置非常重要。即使是二者定位的微小变化也会导致ΔT与Rth之间出现巨大差异；Vincotech建议根据IEC60747-15标准测量模块的温度。应从散热器底部钻一个孔，将热电偶定位在接触面中点的正下方，并根据内部电路，在其他一些预期的热点处定位。并且应尽量减少测量点的数量，以防止干扰。

图5：热电偶的推荐位置

工程师必须从根本上了解设计的系统的热行为，这样才能更好的选择功率元件。Vincotech数据表中给出的热阻是最坏的情况，因此基于这些参数设计的系统足够可靠。在某些关键热环境下，可能需要精确地分析热扩散和由此产生的Rth。当对包含功率模块和散热器的整个系统进行热测量时，得到的Rth将与Vincotech的最坏情况数据表值不同。这是因为不同冷却方式传播热量模式的不同，使用内部NTC热敏电阻监测散热片温度有助于深入了解热行为并提高安全性。在读取这些读数时，必须考虑NTC值与实际温度之间的差异。如果所选模块中没有集成热敏电阻，建议将NTC热敏电阻安装在靠近功率模块的位置。

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全部评论（10）

九州同路人 Lv8. 研究员 2019-01-07

学习学习
建志小马哥 Lv7. 资深专家 2018-12-31

学习了
我的名字 Lv7. 资深专家 2018-12-28

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伍伍 Lv7. 资深专家 2018-12-28

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lucky Lv3. 高级工程师 2018-12-18

赞

小旋风 Lv7. 资深专家 2018-12-13

分析的还不错
hsf Lv7. 资深专家 2018-11-06

资料很好
Y小哥 Lv4. 资深工程师 2018-10-27

学习
滨海养老会所 Lv7. 资深专家 2018-10-09

好资料，学习。
用户56731903 Lv9. 科学家 2018-10-09

很详细的资料！！！

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