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(guò)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(lái)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(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用有限元法，依賴ANSYS等國(guó)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(wú)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(zhǎng)，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(wèn)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(wèn)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(guò)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(kāi)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(wèn)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(guò)流能力；針對(duì)有限元電熱仿真無(wú)法靈活計(jì)及半導(dǎo)體非線性電學(xué)特性的問(wèn)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(wèn)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。