直接冷却IGBT功率模块散热性能研究

孙 微，刘 钧，苏 伟，邰 翔

(1．中国科学院电工研究所，北京100190;2．中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室(电工研究所)，北京100190;3．电驱动系统大功率电力电子器件封装技术北京市工程实验室，北京100190)

直接冷却IGBT功率模块散热性能研究

孙 微1，2，3，刘 钧1，2，3，苏 伟1，2，3，邰 翔1，2，3

(1．中国科学院电工研究所，北京100190;2．中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室(电工研究所)，北京100190;3．电驱动系统大功率电力电子器件封装技术北京市工程实验室，北京100190)

电力电子设备元器件的温度是影响电力电子设备性能和可靠性的关键因素之一。在IGBT功率模块散热方面，目前的研究热点之一是在模块的设计阶段应用直接冷却技术，将散热鳍片集成在功率模块的铜基板上。这种结构使IGBT模块在安装固定时不再需要通过导热界面材料来连接模块铜基板和支撑底板，因而使模块的总热阻大大降低。本文对自主研发的二合一直接冷却IGBT功率模块进行了仿真试验研究，并对比了传统间接冷却模块的散热性能，试验结果表明直接冷却模块的热阻最高降低了33%，而且温度场分布也更加均匀。仿真结果与试验结果一致，证明了仿真模型的准确性。

功率模块;直接冷却;温度场;热阻

1 引言

散热是影响电力电子设备可靠性的重要因素之一，一般电力电子设备元器件的工作温度如果超过一定的限制范围，元器件的性能将显著下降，并且不能稳定工作，因而影响系统运行的可靠性。据国内外学者的研究，元器件失效率与其结温成指数关系［1］，其性能随结温升高而降低。也有研究认为，器件工作温度每升高10℃失效率增加1倍［2］。此外，过热引起的“电子迁移”现象［3］会对芯片造成不可逆的永久性损伤，影响芯片寿命。因此，电力电子设备的散热技术越来越受到关注，尤其是大功率应用领域，其散热问题成为技术人员急于解决的问题。

在IGBT功率模块散热方面，一个重要解决方法就是从降低模块热阻方面来着手降低芯片结温。目前研究热点之一是采用直接冷却技术进行功率模块的散热结构设计，即:模块铜基板与散热鳍片一体成型，冷却液直接与IGBT模块铜基板的底面接触。这种pin-fin结构使IGBT模块在安装固定时不再需要通过导热界面材料(Thermal Interface Material)来连接模块铜基板和支撑底板，因而使芯片到冷却液的总热阻大大降低。基于以上原因，功率模块的直接冷却技术近年来得到广泛的应用［4］。

本文介绍了自主研发的直接冷却IGBT模块散热结构，对其建立简化仿真模型进行仿真研究，并设计试验研究了水流量和安装方向对模块散热性能的影响，同时将直接冷却模块与相同电气参数的英飞凌间接冷却模块进行对比测试，结果表明直接冷却模块的结温和热阻均有所降低。仿真结果与试验结果一致性较好，证明了仿真模型的准确性和简化方法的可行性。

2 仿真研究

2.1 研究对象

本文中二合一直接冷却IGBT模块的外部封装形式、内部布局、IGBT和二极管芯片等与英飞凌公司的FF450R06ME3模块完全相同，只是铜基板自带pin-fin阵列以实现模块的直接冷却。为便于红外热像仪测量，模块内未灌封硅凝胶，并且芯片及DBC表面皆喷涂与配合红外热像仪使用的白色显影剂，如图1(a)所示。

关于散热鳍片 pin-fin的形状与布局对直接冷却模块散热性能的影响，国内外已开展相关研究［5］，本文对直接冷却 IGBT模块散热鳍片 pin-fin的形状和布局进行优化设计，考虑加工工艺和成本，最终确定直接冷却模块采用圆柱形 pin-fin结构，其直径为2.4mm，高度为8.0mm，流道区域呈窄长型，如图1(b)所示。模块配套水槽采用分体式结构，并设计导流槽使流道内的流量分配更加均匀。

图1 二合一IGBT模块Fig．1 2 in 1 IGBT module

2.2 建模方法

本文对直接冷却功率模块内的IGBT和二极管芯片、DBC、模块铜基板(带 pin-fin)、支撑底板(带水槽)及流体建模，流体介质为水。为便于网格划分，同时节省计算时间，对模型进行一定简化。具体如下:

(1)将IGBT、二极管芯片分别与其对应的焊料(芯片与DBC之间)等效为整体，计算各向等效导热系数。同时将等效体的厚度扩大相应倍数，以提高网格质量。

(2)忽略DBC覆铜层的刻蚀情况，将DBC和其对应面积的焊料(DBC与铜基板之间)等效为整体，计算各向等效导热系数。

(3)忽略o型圈及o型圈槽。

经过以上简化，最终仿真模型如图2所示。仿真模型中的各个部件、材料及其物性参数设置见表1。

2.3 仿真计算

图2 仿真模型Fig．2 Simulation model

表1 仿真模型材料参数Tab．1 Thermal conductivity coefficient of materials

按照以上建模和简化方法，采用前端有限元热流仿真软件CFDesign进行计算，边界条件和热源按照如下方法设置:

(1)热源。二合一模块上下桥臂二极管直通，根据电压电流计算总损耗为228W(IGBT直通时为212W)。认为损耗均匀分布在6块芯片上。

(2)边界条件。冷却介质为水，为方便与实验数据对比，将入口水温设为0℃，冷却水定性温度取20℃。体积流量设为9L/min，出口压力设为0。

水流量9 L/min下，二极管和IGBT分别直通时的仿真结果见图3。可知二极管直通时，其最高温升为24.2℃，6个二极管芯片的最高温升之差为1.5℃。IGBT直通时，其最高温升为 15.0℃，6个IGBT芯片的最高温升之差为0.8℃。

3 试验研究

3.1 试验设计

本试验采用开放式二合一模块进行测试，用红外热像仪实时监测模块内部IGBT芯片的温度场，并测量稳态时IGBT模块内的NTC热敏电阻阻值作为参考。试验台架如图4所示，采用独立水循环系统，可调节流量，同时控制水温在20℃左右。将冷却水流量从大到小调节为9～4L/min，并将二极管和IGBT分别直通进行试验。供电电源为电流源，输出电流100A，IGBT模块上下桥臂直通，实测IGBT的电压和电流来计算损耗。

图3 水流量9L/min下的仿真结果Fig．3 Simulation results at 9L/min flow rate

图4 试验台架Fig．4 Test system

另外，为了确定模块安装方向对其散热性能的影响，将模块裸露芯片的一面分别水平向上、水平向下和竖直放置进行试验，通过红外热像仪观察芯片结温的变化。

试验的另一目的是对比直接冷却模块与目前应用广泛的传统间接冷却技术在散热性能方面的差异，这里间接冷却模块配套试验的水冷板为自主设计的双逆流水冷板，8L/min流量下，其热阻为6.3K/kW(冷却液为50%乙二醇溶液)。

3.2 试验结果及分析

实测IGBT直通时，总损耗为212W;二极管直通时，总损耗为228W。图5列出了直接冷却模块芯片水平向上安装时水流量6L/min下测得的红外温度云图，图6列出了间接冷却模块芯片水平向上安装时水流量6L/min下测得的红外温度云图。

图5 水流量6L/min下直接冷却模块的温度场Fig．5 Temperature field of direct-cooling module at 6L/min

图6 水流量6L/min下间接冷却模块的温度场Fig．6 Temperature field of indirect-cooling module at 6L/min

直接冷却模块芯片水平向上安装时的试验结果分别汇总到表2、表3。表中1～6为 IGBT芯片编号，如图5和图6所示，其中芯片1靠近水槽入水口。表中数据为各芯片表面最高温升，Tavg为各芯片最高温升的平均值。

表2 水平向上安装时直接冷却模块IGBT的温升Tab．2 IGBT chips’temperature rise of direct cooling module installed upwards(单位:℃)

表3 水平向上安装时直接冷却模块二极管的温升Tab．3 Diode chips’temperature rise of direct cooling module installed upwards(单位:℃)

将直接冷却模块与间接冷却模块的试验结果整理到图7，其中 Tmax为芯片最高温度，q为水流量。通过分析可得到以下结论。

(1)二合一直接冷却模块总热阻 Rjf，IGBT per arm和Rjf，diode per arm随流量增大而减小，流量越大，热阻变化越缓慢。间接冷却模块的热阻也呈相同变化趋势。

(2)本课题自主研发的二合一直接冷却模块与间接冷却模块相比，模块总热阻大大降低。水温约20℃、水 流 量 4 ～ 9L/min 时，Rjf，IGBT per arm和Rjf，diode per arm分别降低30% ～33%、22% ～25%。

(3)直接冷却模块内各芯片的温度分布更为均匀，IGBT芯片间的最大温差为3.6～3.8℃，二极管芯片间的最大温差为7.0～7.3℃。而间接冷却模块内IGBT芯片间的最大温差为7.7～7.9℃，二极管芯片间的最大温差为9.8～10.2℃。

图7 直接冷却与间接冷却模块结温和热阻对比Fig．7 Junction temperature and heat resistance of direct and indrect cooling modules

将各个安装方向下直接冷却模块的试验结果如图8所示，可知水平安装总体上优于竖直安装，同时水平向上安装与水平向下安装时，模块的散热性能相差不大。竖直安装时，芯片的平均结温与水平安装相差不大，但最高结温明显高于水平安装。这里认为竖直安装时重力作用使流道区域的流量分配不均匀，导致芯片最高结温较高。

图8 试件安装方向对芯片结温的影响Fig．8 Temperature rise of chips in different installing directions

3.3 仿真与试验对比

仿真结果与对应工况的试验结果对比见表4，可知仿真结果偏低。分析原因有以下几点:

表4 仿真与试验对比Tab．4 Comparison between tests and simulation(单位:℃)

(1)试验结果中，温度最高的芯片靠近模块输入端子，而端子温度较高，受端子影响，芯片最高温度偏高，同时芯片间的温差也增大。仿真模型并未考虑端子发热的影响，因此产生一定误差。

(2)试验用水含有较多杂质，而直接冷却模块的pin-fin散热鳍片分布较密，导致实际均流效果不如采用纯水的仿真结果，故仿真的芯片间温差与实测相差较大。

(3)芯片平均温升的相对误差反映了模块热阻的相对误差，从对比结果可知，二极管芯片平均温升的相对误差为 －8%，而 IGBT芯片的相对误差为1%，仿真与实测结果符合。

4 结论

本文对自主研发的直接冷却IGBT模块的散热性能进行了仿真研究和试验研究，分析了直接冷却技术和间接冷却技术对模块散热性能的影响。试验结果表明，直接冷却模块与间接冷却模块相比，模块总热阻大大降低，水温约20℃、水流量4～9L/min时，模块的总热阻最高降低33%。另外，直接冷却模块内各芯片的温度分布更为均匀，利于模块的均流特性。仿真结果与试验结果误差较小，认为仿真模型具有一定的准确性，可用以模拟直接冷却模块的散热特性。

本文同时评估了安装方向对模块散热性能的影响，试验表明，直接冷却模块水平安装的散热性能优于竖直安装，因此实际应用时应尽量采用水平安装。竖直安装时，芯片的平均结温与水平安装相差不大，但最高结温明显高于水平安装。另外，水平向上安装与水平向下安装时，模块的散热性能相差不大。

［1］杨桂杰，杨银堂，李跃进 (Yang Guijie，Yang Yintang，Li Yuejin)．多芯片组件热分析技术研究 (Study on the techniques of thermal analysis for multi-chip modules) ［J］．微电子学与计算机 (Microelectronics＆Computer)，2003，(7):78-80．

［2］Ozmat B，Instrumerit S T，Dalias T X．Interconnect technologies and the thermal performance of MCM［J］．IEEE Transactions on Components，Packaging，and Manufacturing Technology，1992，15(5):860-869．

［3］Tan C M，Zhang G．Overcoming intrinsic weakness of ULSI metallization electro migration performances［J］．Thin Solid Films，2004，462:263-268．

(，cont．on p.60)(，cont．from p.25)

［4］Sasaki K，Hiyoshi M．风力发电用 IGBT模块的小尺寸、低热阻及高可靠性封装技术(Small size，low thermal resistance and high reliability packaging technologies of IGBT module for wind power applications)［J］．电力电子(Power Electronics)，2010，(4):57-61．

［5］Fumio Nagaune，Shinichiro Adachi，Takahisa Hitachi，et al．High thermal conductivity and reliability，downsized IGBT module for automotive applications［A］．EVS26 International Battery，Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium［C］．Los Angeles，USA，2012．

Heat dissipating performance research of direct-cooling IGBT module

SUN Wei1，2，3，LIU Jun1，2，3，SU Wei1，2，3，TAI Xiang1，2，3
(1．Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 2．Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive(Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences)，Beijing 100190，China;3．Beijing Engineering Laboratory of Electrical Drive System＆Power Electronic Device Packaging Technology，Beijing 100190，China)

The temperature of the components of the power electronic equipment is one of the key factors for its performance and reliability．For the heat dissipation of the IGBT power module，one of the most popular research focus is using the direct cooling technology to integrate the radiating fins into the copper substrate of the power module in the design phase．This structure ensures the installation of the IGBT module doesn't need to use the thermal interface materials to connect the module copper substrate and the cooling plate any longer，thus makes the entire thermal resistance of the module to be reduced significantly．In this paper，we tested the heat dissipating performance of a self-developed 2 in 1 direct cooling IGBT module and contrasted with the traditional indirect cooling module．The experiment results show that entire thermal resistance of the direct cooling module is reduced up to 33%，meanwhile the temperature field distribution is more uniform．In this paper，we also established a simulation model for the direct cooling power module，which has a satisfied consistency with the test results，therefore we can use the model to research the heat dissipating performance of the direct cooling module deeply．

power module;direct cooling;temperature field;thermal resistance

TM464

A

1003-3076(2014)04-0021-05

2013-07-10

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2011AA11A258)

孙 微 (1982-)，女，山东籍，工程师，硕士，研究方向为电驱系统散热设计;刘 钧 (1977-)，男，四川籍，高级工程师，研究方向为高功率密度车用电机控制器、电力电子集成。