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IGBT 功率模塊熱管理研究
隨著絕緣柵雙極晶體管（IGBT ）向高功率和高集成度方向發展，在結構和性能上有很大的改進，熱產生問題日益突出，對散熱的要求越來越高，IGBT 芯片是產生熱量的核心功能器件，但熱量的積累會嚴重影響器件的工作性能。因此，對 IGBT 模塊的溫度進行有效地檢測和管理是十分重要的環節。綜述了IGBT 模塊的研究現狀、研究熱點以及散熱相關技術，主要介紹了主動散熱和被動散熱的方法、以及 IGBT 功率模塊的熱阻網絡系統和散熱系統設計的主要步驟，和減小熱阻來增強散熱的方法。


關鍵詞：IGBT 功率模塊 熱管理 熱管

絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）功率半導體模塊作為新能源轉換系統和高壓電源開關裝置中的關鍵部件，代表了一種新型的功率半導體場控自關閉電子器件。廣泛應用于照明、汽車、高鐵、等領域，未來10年是IGBT 功率模塊發展的黃金期，它在頻率較高的中大功率應用中占據主導地位，目前尚未發現有其他產品可以替代 IGBT 功率半導體模塊在電力電子設備中的關鍵作用。

IGBT 功率半導體模塊的弱點是過壓過熱 。因此，它處理熱量的能力限制其高功率的應用。IGBT 結合了金屬氧化物半導體場效應晶體管（metal‐oxide‐semiconductor field‐effect transistor，MOSFET ）和雙極型晶體管（bipolar junction transistor ，BJT ）的優點，具有驅動電路簡單、低穩態損耗、承受短路能力強等優勢，IGBT 功率半導體模塊的各項參數和工作性能也有了很大的提高，更適用于電力電子器件，它是大功率半導體中*具代表性的平臺器件，能大幅提高電機驅動的效率。IGBT 作為電力電子控制電路的核心之一，推動電力電子器件的發展，近年來，快速發展，并在冶金、可再生能源等多種不同行業得到了廣泛的應用，有助于利用可持續清潔能源緩解全球化石能源危機和環境問題 。

然而，作為大功率變換器的關鍵部件，IGBT 的熱流密度趨向于高功率、高集成度發展，模塊也因其高頻傳導和開合而不斷集中產生大量的熱 ，影響器件的性能。大部分的 IGBT 功率半導體模塊的失效原因都與熱量有關 。如果沒有有效的散熱方式 ，模塊溫度將很快達到甚至超過結溫（150 ℃ ），嚴重影響 IGBT 的工作性能、**性及可靠性，使開關斷速度、通態壓降、電流拖尾時間、關斷電壓尖峰和損耗等性能指標變差 ，溫度過高甚至會導致整個器件乃至整個系統模塊的損壞，對 IGBT 的**性和可靠性構成嚴重威脅 。為了滿足 IGBT 器件應用日益增長的要求 ，容量和可靠性成為 IGBT 器件面臨的巨大挑戰 。

與其他電子設備類似，一個高效、穩定、方便和緊湊的冷卻系統對 IGBT 器件的設計具有重要意義 ，以確保其**和穩定的工作。對 IGBT 功率器件進行熱管理設計，是解決 IGBT 功率器件散熱的必要措施和有效手段。本文綜合概括了當前國內外 IGBT 功率模塊熱管理的研究現狀、研究熱點以及散熱相關技術，并進行了**的整理與分析，為解決 IGBT 模塊散熱設計的問題提供了重要的參考價值，進一步為器件熱性能的可靠性設計和優化奠定理論基礎 。

1 IGBT 功率器件熱阻網絡系統
通常情況下，IGBT 功率器件的向下散熱傳遞路徑可描述為：當 IGBT 功率器件通電時，在電壓和電流的作用下，IGBT 芯片由于存在通態損耗和開關損耗而產生大量的熱。散熱路徑由上到下依次為：芯片 → 陶瓷覆銅板 → 基板 → 散熱器，*終由散熱器與空氣通過對流傳熱和輻射傳熱，利用主動散熱或被動散熱將熱量帶走，整個傳導過程中存在熱阻，熱阻是影響 IGBT 功率模塊散熱的主要因素，要想增強散熱效果，減小熱阻是*主要的方法。

圖1 所示為逆變焊機中 IGBT 功率模塊熱傳遞原理圖。通過錫焊工藝將芯片、陶瓷覆銅板和基板焊接在一起，基板和散熱器之間涂抹導熱硅脂，增強導熱。

IGBT 功率模塊熱管理研究
圖 1 IGBT 熱傳遞原理圖

逆變焊機中 IGBT 功率模塊系統結構上可以分析出熱流傳遞通道為：芯片→芯片焊接層→銅→陶瓷→銅→系統焊接層→基板→導熱硅脂→散熱器→環境。殷炯等提出一種熱阻等效電路的方法來確定散熱系統熱阻參數對系統熱阻的影響，參數包括功率元件材料和結構特性、散熱器與模塊表面接觸情況等，結果得出不同風速對冷卻效果的影響程度以及保證模塊可靠工作的*低風速；鄧二平等通過用兩種不同測試方法進行熱阻測試并對比研究，結果顯示傳統熱電偶法只適用于測量焊接式IGBT 模塊結到殼熱阻值，瞬態雙界面法既適用于測量焊接式 IGBT 模塊結到殼熱阻值，也適用于測量壓接型 IGBT 模塊結到殼熱阻值。

熱阻網絡主要由3個環節所構成：材料體積熱阻、熱界面材料熱阻、元件到環境熱阻。因此，從IGBT 芯片到環境溫度的總熱阻模型可以表達為：

R＝Rjc＋Rcs＋Rsa （１）
式中：Rjc為 IGBT 芯片到銅基板的熱阻；Rcs 為銅基板到散熱器的熱阻；Rsa 為散熱器到外界環境的熱阻。

目前，IGBT 功率模塊內部結構已經很成熟，眾所周知，要想減小模塊內部的界面熱阻和材料熱阻十分困難。因此，現在的散熱偏向于對 Rsa 的研究，目的是減小熱阻，盡快的將模塊產生的熱量散熱到空氣中，降低模塊溫度。本文主要綜述了 IGBT 模塊到環境的散熱技術，主要分為主動散熱和被動散熱，散熱技術涉及熱管散熱技術、基于 PCM 的散熱器、空氣射流和液體射流等。

2 IGBT 功率模塊散熱分析與設計
IGBT 作為能量變換與傳輸的核心元件，廣泛應用于化工、冶金、軌道交通和新能源等領域，為利用可持續清潔能源緩解全球化石能源危機和環境問題做出了大量努力。功率模塊通過熱傳導、熱對流和熱輻射的方式將熱量傳遞到大氣中。針對 IGBT熱量密度和應用場景不同，需要用不同的散熱方式，主要分為被動散熱和主動散熱。兩者主要區別在于被動散熱是通過自然對流散熱將熱量散發到大氣環境中，不借助外界力，主動散熱是利用風冷或水冷的散熱方式，借助外力通過強制對流傳熱將熱量散發到空氣環境中。被動散熱比主動散熱結構簡單、成本低、可靠性高，但散熱效果不太明顯，主動散熱由于借助外力散熱效果好，冷卻速度快?；跓嶙杈W絡系統模型對 IGBT 功率模塊進行散熱分析與設計，有可能達到*優的散熱效果。

3 IGBT 功率模塊散熱技術
3.1 被動散熱
3.1.1 翅片散熱技術
IGBT 功率模塊產生的熱量通過散熱器翅片自然對流散發。根據對流散熱的牛頓冷卻公式，對于面積為 A 的接觸面，自然對流散熱的散熱量為：

?＝AhΔt（２）

式中：? 為散熱量；A為散熱面積；h為對流換熱系數；Δt 為溫差?？梢?，散熱器可以通過增加 A 和增大h 來強化散熱效果 。

當 IGBT 功率模塊發生自然對流散熱時，其中影響翅片散熱流場的力主要分為2大類：自然對流流場驅動力與翅片陣列阻力。圖2所示為2種不同翅片的排列形式示例，相關參數：翅片間距、結構、高度、方位等都會影響翅片的散熱效果。Charles等構造了不同形狀的翅片，包括梯形、倒梯形、矩形等。實驗結果表明，倒梯形的傳熱系數比梯形和矩形分別高25％ 和10％。設計并優化水平板翅片散熱器的翅片厚度、高度和間距，一般以使用*小材料和散發*大熱量為目標。

IGBT 功率模塊熱管理研究
圖2 散熱器不同的翅片排列方式

常用的散熱片材質是銅和鋁合金，通過壓鑄、擠壓等工藝制造而成，一般散熱器材質是鋁合金，鋁合金不僅導熱性能好，而且性價比高。Chang等開發了石蠟／石墨納米板復合相變材料直翅散熱片，用于 IGBT 的熱管理。鋁散熱器空腔中存儲復合相變材料（pulse code modulation，PCM ），GNPs 作為一種有效的熱媒體，增強 PCM 活性以提高石蠟熱導率，采用差示掃描量熱儀進行試驗研究熔體等熱性能、凝固溫度和潛熱，*終發現復合材料的熱導率提高了近5倍 。

3.1.2 熱管冷卻技術
熱管作為兩相傳熱設備，它們具有低傳熱溫差、高傳熱性能、小尺寸和出色的溫度一致性的優點，并且熱管的機制和工作原理簡單，不需要機械維護，提供了非常有前途的解決方案。根據蒸發／冷凝循環，熱管具有高有效熱導率，并具有純被動方式運行的優點。熱管由密封的容器、管芯和一定量的處于液／氣狀態的工作流體組成平衡。熱量從外部施加到蒸發器，并由冷凝器的外部散熱器釋放。由于冷熱段之間的壓力差，產生的蒸氣從蒸發器被驅動到冷凝器。由凝結產生的液體通過芯吸結構的存在而產生的毛細泵作用流回蒸發器。

熱管因其高導熱性能散熱效果好，在 IGBT 半導體功率模塊散熱領域中廣泛應用，IGBT芯片以熱傳導的散熱方式將熱量傳遞到基板，基板再通過熱管在全封閉真空管殼內工質的蒸發與凝結將熱量散發到空氣中，達到散熱的效果。熱管散熱器的工作原理示意圖，如圖3所示。

IGBT 功率模塊熱管理研究
圖3 熱管散熱器原理圖

一般熱管不單獨作為散熱器使用，通常嵌入翅片，散熱效果更好。Xiahou 等研究分析了現有IGBT 功率器件散熱器的結構，通過設計和優化陣列冷端平面熱管，降低了 IGBT 功率器件，增強了散熱效果。圖4為傳統熱管散熱器與陣列冷端平面熱管對比圖。