基于有限元方法的IGBT热模型仿真

作     者：孙海峰 王亚楠 SUN Haifeng;WANG Yanan

作者机构：华北电力大学电气与电子工程学院 

出 版 物：《电力科学与工程》 (Electric Power Science and Engineering)

年 卷 期：2019年第35卷第6期

页      面：15-22页

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(51207054) 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(13MS75) 

主　　题：IGBT 热模型 电磁脉冲 热效应 焊料层老化 

摘      要：随着集成电路的发展,绝缘栅双极晶体管(IGBT)对电磁脉冲的敏感性增高,造成器件的疲劳与老化,IGBT模块失效将导致功率变流器故障,为了提高功率变流器的稳定性,保证电子设备能够正常工作,研究电磁脉冲对IGBT的影响是很有必要的。基于有限元软件COMSOL建立的IGBT三维热模型,分析了IGBT在稳态以及瞬态下结温变化规律。研究了IGBT在单脉冲和周期脉冲作用下的热累积效应,捕获并比较了IGBT中的瞬态热响应和峰值温度,分析了IGBT在焊料层不同老化状态下的温度场。结果表明温度最大值出现在芯片中心,且脉冲功率幅值、脉宽、波形、频率等因素都会对结温有不同程度的影响,严重时将会导致模块失效。另外,焊料层老化导致导热系数降低,从而改变了热流的传递过程,使得热流从芯片传递到芯片焊料层所需的时间减少,导致器件更易发生损坏。因此,研究结果可为IGBT的设计及运行状态提供一定的参考。