了模块内部各层单元的热阻分布，使得模块结构更加 有利于散热。同时，通过有限元方法建立了功率模块 ３Ｄ有限元模型，得到了模块封装内部各结构的温度场 分布形式，并得出模块内部各热阻分布以及模块的动 态热阻抗响应。通过比较理论计算结果可知，仿真分析 对提高功率模块的热学管理，优化模块各层单元结构 的热阻，改善模块散热结构，具有一定的指导意义。 １ 热学分析 １．１ 模块结构 本文研究对象为南车研发中心研制出的牵引级 １ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ ＩＧＢＴ模块，每个模块包含６个衬板单元， 每个衬板单元又包含４个ＩＧＢＴ和２个反并联二极管。模 块结构主要由７层不同的材料成分组成，包括６个不同 接触界面，如图１（ａ）所示。 从功率模块内部结构可以看出，在模块Ｔ作过程 中ＩＧＢＴ芯片是产生热量的热源，热流从芯片开始，逐 一竖直地流经焊层、ＤＢＣ衬板、焊层、基板，最终通过散 热器与外界发生热交换，如 １（ｂ）所示。因此，在模块 工作过程中，为了避免产生局部过热现象，需要研究模 块内部各相邻单元之间的热量传递情况，以及模块稳 态热阻抗的分布，如果热阻分布不均，将会导致模块内 部产生较大的温度梯度，从而影响最终的可靠性、 热源 芯片 焊层１ ＤＢＣｌ 衬板 ＤＢＣ２ 焊层２ 基板 （ａ）结构，Ｊ 意图 （ｂ）内部散热模式 冈１ １ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ ＩＧＢＴ模块的结构示意图 及内部散热模式 １．２热阻模型 对于功率电子模块来说，模块的结一壳热阻最能 反映出模块的热学特性，是一个评价器件性能及进行 应用计算方面的一个重要参数。根据稳态时的结一壳 热阻可以对模块１二作稳定后芯片的结温进行预测，确 保芯片温度不超过额定温度。一般来说，热阻尺 是导 热介质两端的温度差与通过热流功率的比值，单位为 ￣Ｃ／Ｗ或Ｋ／Ｗ¨引。热阻越小，表示芯片中的热量向外界 传导得越快，模块的热性能越好。热阻的大小一般与 材料的物理属性、芯片厚度、散热面积等参数有关，与 电路中电阻的表达形式类似，表示为 ｐ一１ ｄ 一 式中：ｙ为材料的热导率；ｄ为芯片的厚度；Ａ为热流流 过的面积，且Ａ＝ｌ×Ｗ，ｚ、Ｗ分别为芯片的长度和宽度。 另外，在模块封装中最关心的是ＩＧＢＴ芯片的结温 。ＩＧＢＴ芯片的结温主要由器件的环境温度、器件ＰＮ 结到周围环境的热阻所决定。若在模块热阻已知的情 况下，功率半导体模块的结温则可表示为¨ ． ｈＰ＋ ；或Ｒ ｈ＝—上 （２） 厂 式中： 为模块外壳所处的环境温度；Ｐ为芯片所消耗 的功率。 式（２）表明热阻越小，在同样大小的耗散功率Ｐ 情况下，芯片结温升温越小；或者说在达到同样／一Ｚ４￣ ｅ／［ ｔ 的条件下，能够消耗的功率更大，功率模块性能也就 越好¨ 。为了从根本 解决热量耗散的问题，关键在 于得到器件内部温度场的分布，以指导器件的热设计。 以１ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ大功率模块为例，分别存在７层热阻， 从最上层的 芑：片开始：芯片热阻、Ｊ二层焊接层１热阻、 ｝：层ＤＢＣＩ热阻、衬板热阻、下层ＤＢＣ２热阻、下 焊接 层２热阻、基板热阻，其表达武分别为 。 ｌ “【ｈ．ｓｉ— ｙｓ． ｓ。Ⅵ （３） 札ｓ ￣／ＳＡ ＩＳＡＷＳＡ （４） Ｒ Ｂｃ＝ Ｌ ｆ ５） ＹＤＢ（：／ＤＢＣ ＷＤＢ Ｒｆ ｈ ｌＮ＝ （６） ｙＡＮ／ＡＮＷＡＮ Ｄ １ （、 “ｔｈ．ＳＣ一一７ ＿ 一 ｌｓ（、 （ （７）ｓｏ ～ 式中： 为材料的热导牢；ｚ、Ｗ、ｄ为各单元结构的长度、 宽度和厚度。下引脚Ｓｉ、ＳＡ、ＤＢＣ、ＡＮ、ＳＣ分别代表ｒ 芯片（Ｓｉ）、焊层（ＳｎＡｇ合金）、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ ｂｏｎｄ ｃｏｐｐｅｒ）、 陶瓷衬板（Ａ１Ｎ）、散热基板（Ａ１ＳｉＣ），下同 以上对模块热阻的分析是基ｆ传统的热阻计算 ‘ 法，仅仅考虑了模块内部各单 的热阻值，忽略了各 单元之间的热耦合效应¨引。为了考虑模块内部各热阻 之间的相互关联性，并简化各单元的几何尺寸非线性 效应，采用了一种热节点模型，如 ２所示。该模型采 用等效方法把模块内部各层结构分别等效成一个节 点，这样可以简化整个模块的结构，以减少模块『大Ｊ部 热场分布的几何非线性效应。 Ｒｍ ｓ ｌ尺ｔｈ ｓＡ１ ｍＤＢ（＝：ｌ Ｒ ＡＮ ｍＤＢｃ２ Ｒｔｈ ｓＡ２ Ｒｔｈ ｓｃ 口『ｗ 同２ ＩＧＢＴ功牢模块的热节点模， 假设热源来自芯片内部，根据节点网络模 ，埘功 第１期 刘国友，吴义伯，徐凝华，窦泽春：牵引级ｌ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ ＩＧＢＴ功率模块的热学设计与仿真 率模块内部各单元的热阻进行二阶热网络模型处理¨ ， １ 一 ｄｓＡ２＋ ｌ ４ ｃ （１３） 可得到优化后的热阻分布，如图３所示，且可以得到模 块内部各单元之问的等效热阻表达式： Ｒｓ ｓＡｌ ＲｓＡｌ，ＤＢｃ１ ＲＤＢｃｌ，＾Ｎ ＾Ｎ，ＤＢｃ２ ＲＤＢｃ２，ｓＡ２ ＲｓＡ２ｍＰ ＲＢＰ 去焘＋ １ ｄｓＡ Ｉ Ｒ ｓ…ｃｔ： １ ｄＳＡＩ＋ （８） Ｐ １ ｄ ＤＢＣ Ｉ（９） 图３ ＩＧＢＴ模块的热阻等效电路模型 １ ｄ ＡＮ Ｒ。 ｗ １ ｄ ＤＢＣ Ｉ＋ （１。） ｄ ＤＢＣ ２ １．３热阻分布 １ 巾 ＝ ｄ ＡＮ＋ ｌ 对于图１所示的１ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ ＩＧＢＴ功率模块而言， （１１） ｙＡＮ ｚ ＡＮ１ Ｎ ＤＢｃ２ Ｚ ＤＢｃ２Ⅵ Ｂｃ 其内部各单元的几何尺寸及相应的材料属性如表１所 示Ｉ 。然后把式（８）～式（１ ３）中一系列公式导人到 ＥＸＣＥＬ，利用ＳＯＬＶＥＲ＿Ｔ．具可以计算出基于热节点等效 电路模型的模块内部各热阻分布，如表２所示。 ［ …ｓ ‘ ｄ ＤＢＣ ２＋瓦１ ｄＳＡ２ｓＡ２ ｓＡ２１ Ａ２ （１２） ＤＢｃ２ ｚ ＤＢｃ２ ¨ ＤＢｃ２ 表１ １ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ Ｉ ＧＢＴ模块的典型几何尺寸及其材料属性 ４６＿３％，焊层１与ＤＢＣ铜之间的热阻次之，约占３３．１％，其 参数Ｉ芯片ｌ焊层１『ＤＢＣ１ Ｉ衬板Ｉ ＤＢＣ２ ｌ焊层２ Ｉ 基板 余各层热阻分别在３％～７％之间，其各单元热阻分布如 图４所示。这主要是因为在散热通道中，芯片的有效散 Ｉ！ ：！Ｊ ： Ｉ ： ｌ ： ｌ ： ｌ ： Ｊ ．：！： ｅ ｌＪ ２３．５ Ｉ ｌ６．８２ 芈Ｃｌ １．４７ ｌ１－３８ Ｉ １－３３ １ ３．６９ Ｉ ２．５９ 热面积约为衬板面积的１／１５，导致芯片热阻在总热阻 中所占比重较大。 ２仿真分析 ２．１ 仿真模型 本节主要利用有限元分析方法对ＩＧＢＴ功率模块的 内部传热进行仿真分析。为了突出重点并节约计算机 资源，减少计算时问，将实际模块的１／４作为热分析对 象，建立了稳态传热模型，如图５所示。 在仿真分析过程中，对所建ＩＧＢＴ的有限元模型做 出如下假设：①稳态开通工作过程中，由于二极管的 发热量相对于ＩＧＢＴ而言很小，因此忽略不计。②由于 铝丝的直径很小，只有０．３ ｍｍ左右，因此认为ＩＧＢＴ产生 的热量不沿铝丝传导，而完全由其下方的焊层导出， 罔４ ＩＧＢＴ模块中各单儿热阻的分布 因此将铝丝省略。③认为焊层中不存在任何空洞、缺 陷，所有的焊层都是均匀的 。一般认为，由于ＩＧＢＴ产 生的热量主要集中在芯片表面（发射极、栅极所在的 表面）６８％的区域，认为该加热面上热流密度均匀分 图４给出了ＩＧＢＴ模块内部不同单元之间的热阻分 布情况。可以看出，模块的热阻优化前分散性较大，容 易导致模块各层结构散热不均。而经过热节点等效电 路模型处理后，模块内部各层热阻分布较为均匀，热 阻落差相对较小，而且在整个模块热阻的组成中，芯 片到焊层１之间的热阻所占比重最大，大约为总热阻的 布，每个ＩＧＢＴ芯片功耗约为２５０ Ｗ。因此，在该加热面 上施加均匀的热流密度３．６ Ｗ／ｍｍ。，在基板下表面加载 ９ ０００ Ｗ／ｍ ・Ｋ的等效对流换热系数。 机 车 电 传 动 ２０１ ３年 信网络的研究和优化非常重要。ＭＶＢ总线通信网络动 态性能的研究将为如何设计高可靠性、强实时性的 ＭＶＢ网络打下基础。本文以协议效率、网络效率、网络 有效利用率、吞吐量为指标，研究了ＭＶＢ总线网络动 态性能的评估方法，并通过改变通信介质和网络负载， 分析了各动态性能指标的变化特点，最后提出了优化 动态性能的方法，以期为１二程技术人员提供参考和理 论依据。 同时，该研究Ｔ作还有许多值得扩展和完善的地 ５ 设备数与刚络利用军、吞吐量的关系 方。比如，在设计上如何合理安排过程数据轮询次序， 如何分配过程数据和消息数据的带宽，以提高ＭＶＢ总 线网络的网络动态性能。这些都是有待研究和探讨的 内容。 参考文献： ［Ｉ］张冗林．列车控制网络技术的现状 发展趋势［Ｊ １．电力机 车０城轨车辆，２００６，２９（４）：卜４． 从图５可见，ＭＶＢ总线网络的网络利用率和吞吐量 随着设备数的增加而增大，当总线上的设备数增加到 一定的程度，网络利用率和吞吐量的增加明显变慢。 这是由于网络周期相带宽有限，当过程数据负载增加 到一定程度，周期相会饱和直至数据溢出。 ＭＶＢ数据通信是一个复杂的过程，对ＭＶＢ总线通 信网络的优化，可以根据网络负载的大小，适当地调 整周期相在基本周期所占的比例 … 【２］现场总线网络性能指标与评ｆ＾方法｜Ｊ］．低 电器：２００９ ｆ３）：３５—３８． ，或改变宏周期 的大小，来使过程数据带宽更适应过程数据负载 １ ３ Ｊ ＩＥＣ ６ １ ３７５—１，Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒａｉｌｗａｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ—Ｔｒａｉｎ ｂｕｓ—Ｐａｒｔ １：Ｔｒａｉｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ【Ｓ １ Ｇｅｎｅｖａ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ：ＩＥＣ，２００７ ｌ ４］Ｐｉｅｒｒｅ Ｄｅｒｓｉｎ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ—ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 的大小，从而提高数据的网络利用率和吞吐量，以达 到优化网络性能的目的。 ｎｅｔｗｏｒｋｓ，Ａｌｓｔｏｍ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ［Ｊ ｌ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０１１（３）：１２１—１２７． ４结语 随着列车通信网络技术的日益普及，ＭＶＢ总线通 ［５］阳宪惠．现场总线技术及其应用［Ｍ］．北京：清华大学出 版社．１９９９． （上接第４页） ［１ ０］陈 明，胡 安，唐 勇，汪 波．绝缘栅双极型晶体管传 ｎｏｔｅ，２００８． １ ｌ ５ ｊ Ｕ Ｄｒｏｆｅｎｉｋ，Ｄ Ｃｏｔｔｅｔ，Ａ Ｍｉｉｓｉｎｇ，Ｊ Ｍｅｙｅｒ，ｅｔ ａ１．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｔｈｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｉｅｓ 热模型建模分析［Ｊ］．高电 技术，２０１ １，３７（２）：４５３—４５９． ［１ １］张［１ ２］疗健，吕长忠，张小玲，谢雪松，黄月强．基于ＡＮＳＹＳ的 杰，常桂钦，彭劳殿，李继鲁，唐龙谷． 基于ＡＮＳＹＳ的 ＩＧＢＴ热模拟Ｌｊ分析［Ｊ］．微电子学，２０１ｌ，４１（１）：１ ３９一ｌ４２． 大功率ＩＧＢＴ模块传热性能分析［Ｊ ｊ．大功率变流技术，２０ １ ２ ｆ２１：２０—２４． ｏｆ ａ Ｗａｔｅｒ．Ｃｏｏｌｅｄ ３３００Ｖ／ｌ２００Ａ ＨｉＰａｋ ＩＧＢＴ Ｍｏｄｕｌｅ Ｃ ｌ ＰＣＩＭ．２００７． Ｉ１６【Ｃ Ｚｗｅｂｅｎ．Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｌｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｈａｌ— ｌｅｎｇｅｓＩ Ｊ ｌ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６（２）：４０—４７． ［１７］Ｂ Ｄｕ，Ｊ Ｌ Ｈｕｄｇｉｎｓ，Ｅ Ｓａｎｔｉ，ｅｔ ａ１．Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｔｈｅｒｍａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ【Ｊ ｌ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．２０ｌＯ，２５ｆ１）：２３７—２４８． 【１３ ｊ Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ．Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌ Ｍ ｌ Ｔｅｃｈ— ｎｏｌｏｇｙ ｎｏｔｅ，２００７． ［１４］Ｉｎｆｉｎｅｏｎ．Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｏｄｅｌｓ ｌ Ｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ３８—
