功率模塊在新能源汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。高功率密度和高集成化趨勢(shì)加劇了芯片表面溫度梯度，而元胞電學(xué)參數(shù)具有溫變效應(yīng)，導(dǎo)致芯片形成電流密度不均勻分布特征。因汽車低速大轉(zhuǎn)矩、重載定子堵轉(zhuǎn)、起步加速等極端工況下半導(dǎo)體芯片過電流運(yùn)行，元胞電流分配不均更加嚴(yán)重，片上溫度場(chǎng)形成機(jī)制尚不明確，為功率模塊安全運(yùn)行帶來隱患。因此，對(duì)功率模塊片上電致溫度場(chǎng)的建模與分析尤為迫切。

圖1 新能源汽車用功率模塊

圖2 芯片表面溫度梯度

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片溫度的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，國內(nèi)外學(xué)者主要采用有限元法，依賴ANSYS等國外商用軟件。然而：有限元軟件對(duì)電特性的求解采用歐姆定律，無法應(yīng)對(duì)電流連續(xù)變化下的芯片電特性表征，導(dǎo)致芯片電致溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性存在較大誤差；有限元法需要求解離散微元的偏微分方程，計(jì)算量大，求解時(shí)間長，導(dǎo)致難以適用于功率半導(dǎo)體器件溫度的動(dòng)態(tài)在線預(yù)測(cè)與健康狀態(tài)管理；有限元法在求解高溫變效應(yīng)的芯片電熱耦合問題時(shí)易不收斂，限制了其在碳化硅基等新一代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件電熱耦合研究中的應(yīng)用。

面對(duì)這些問題，浙江大學(xué)的研究人員提出了一種IGBT元胞級(jí)熱-電場(chǎng)路耦合的溫度場(chǎng)解析建模方法，探究了芯片電流分布對(duì)芯片溫度和模塊輸出功率的作用規(guī)律。

圖3 IGBT元胞級(jí)熱-電場(chǎng)路耦合計(jì)算流程

首先提取芯片元胞的溫度敏感參數(shù)，建立元胞通態(tài)壓降溫變效應(yīng)的物理模型。然后引入傅里葉級(jí)數(shù)實(shí)現(xiàn)芯片溫度的快速精準(zhǔn)描述，通過求解傳熱學(xué)中的拉普拉斯三維導(dǎo)熱偏微分方程，將待求函數(shù)展開為傅里葉級(jí)數(shù)形式，由功率模塊材料參數(shù)和邊界條件確定系數(shù)，得到芯片三維溫度場(chǎng)的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式。最后，將上述元胞溫變電學(xué)模型與芯片三維溫度場(chǎng)模型相結(jié)合，進(jìn)行電熱耦合迭代計(jì)算，最終得到計(jì)及元胞壓降溫變效應(yīng)的芯片三維溫度場(chǎng)結(jié)果。

圖4 功率模塊三維溫度場(chǎng)結(jié)果

總結(jié)而言，針對(duì)目前半導(dǎo)體芯片熱評(píng)估尚未計(jì)及電參數(shù)影響導(dǎo)致的結(jié)溫估計(jì)不準(zhǔn)問題，將元胞溫變電學(xué)模型與芯片三維溫度場(chǎng)模型耦合，揭示了芯片電流分布對(duì)表面溫度場(chǎng)形成的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了這種非均勻分布特征對(duì)芯片溫度有抑制作用，能有效提升功率模塊的過流能力；針對(duì)有限元電熱仿真無法靈活計(jì)及半導(dǎo)體非線性電學(xué)特性的問題，利用半導(dǎo)體物理建模與分段線性插值法實(shí)現(xiàn)了功率芯片的熱電準(zhǔn)確描述；針對(duì)有限元計(jì)算效率低與迭代算法易不收斂的問題，提出的基于傅里葉級(jí)數(shù)熱模型的電熱迭代算法實(shí)現(xiàn)了芯片溫度的高效快速提取。

引用本文

陳宇, 周宇, 羅皓澤, 李武華, 何湘寧. 計(jì)及芯片導(dǎo)通壓降溫變效應(yīng)的功率模塊三維溫度場(chǎng)解析建模方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(12): 2459-2470. Chen Yu, Zhou Yu, Luo Haoze, Li Wuhua, He Xiangning. Analytical 3D Temperature Field Model for Power Module Considering Temperature Effect of Semiconductor Voltage Drop. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2459-2470.