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IGBT 功率模块热管理研究

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*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、**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**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**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**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，*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*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。

IGBT 功率模块热管理研究
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*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*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*小材料和散发*大热量为目标。

IGBT 功率模块热管理研究
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，*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。

IGBT 功率模块热管理研究
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。

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