ABB UA C389 AE01

 

高压变频器IGBT功率单元热仿真实例

（1）IGBT封装的结构组成

　　在一个IGBT模块里，数个功率半导体芯片（IGBT芯片以及Diode芯片）被集成到一块共同的底板上，且模块的功率器件与其安装表面（散热板）相互绝缘。这些芯片的底面被焊接于（或被粘贴于）一块绝缘基片的金属化表面上。该绝缘基片的作用是在保证良好导热性能的同时还提供了相对于模块底板的电气绝缘。芯片的上表面被金属化，它的电气连接可以采用细的铝制键接线用键接的方式来实现。

　　如图1所示，为FF450R17ME4模块内部细节图。在进行热仿真的前期模型处理时，需详细搭建内部晶圆的尺寸及布局。对于模型主要部分，如铜基板、DBC、覆铜板、晶圆和封装外壳，都是不可省略的部分。我们常发现，一些散热器厂家简单的用一个封装铜基板大小的面热源进行仿真计算，这种方法是完全错误的。这样计算将使热流密度和扩散热阻很大程度上的削减，使得实际温度会明显高于仿真温度。

　　如图2所示，为IGBT模块内部结构的详细示意图，在仿真过程中，需详细考虑各个组成部分的材质、热阻及热容，使得仿真结果更加准确。

 

图1- FF450R17ME4模块内部细节图

 

 

图2-IGBT模块内部结构的详细示意图

 

（2）设计案例背景介绍

　　案例介绍的功率单元采用常用的两个FF450R17ME4模块，常规使用时，通常按模块利用率50%进行选型，即输出电流为225A。为提高单个功率单元模块的利用率来降低模块及整机的成本，业内一些厂家已将利用率提高到66%。功利用率的提高，关键点在于如何有效的对IGBT单元进行合理和有效的散热。

　　功率单元在使用两个FF450R17ME4模块达到66%利用率的额定工况时，IGBT输出频率50Hz，开关频率650Hz，功率因素0.9，单元输出电流为297A，单个IGBT芯片损耗为78.7W，单个Diode芯片损耗为23.4W。

　　参考业内针对过载方面的标准，均为每10min内可允许120% 过载，过载时间为持续1min。按1.2倍过载，单元输出电流为356.4A，单个IGBT芯片损耗为102W，单个Diode芯片损耗为28.9W。  

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