IGBT模块的等效热路模型(2)

局部网络热路模型中的IGBT和散热片

数据手册里给出的IGBT的局部网络热路模型是根据采用某一特定散热片散热时测量得到的。对于风冷的散热片，由于模块中的热流分布广泛，因此在测量时有更好更低的的Rthjc。而对于水冷散热片，由于热流分布受限制，因此测量时得到相对更高的Rthjc。英飞凌在数据手册中描述模块特性时，是采用基于水冷散热片的局部网络热路模型，即采用相对比较不利的散热工作情况来描述模块热特性的，因此采用这样热特性时模块有更高安全系数。文章来源：http://www.igbt8.com/sr/297.html

图 5: 合并的局部网络热路模型

由于IGBT和散热片的两个热路网络串联，因此注入PN结的功率—类比于电路中的电流—没有延时的立即传到散热片。因此结温的上升依赖于先前的散热片的种类，实际上是依赖模块的热容量。

然而，风冷系统中散热片的时间常数从几十到几百秒，这远远大于IGBT本身的大约为1s的时间常数。在这种情况下，散热片的温度上升对IGBT温度只有很小程度的影响。而对于水冷系统，这个影响则很大，由于水冷系统的热容量相对低，即时间常数相对低。对于“非常快”的水冷散热片，即对IGBT基板直接水冷的系统而言，应该测量IGBT加上散热片的整个系统的Zth。

由于对模块中的热量传递有耦合相互作用的影响，因此无论是在连续网络热路模型还是在局部网络热路模型中，只要IGBT和散热片的建模和Zth的测量是彼此独立分开的，IGBT和散热片的连接使用就不可能没有问题。
一个完全没有问题的IGBT加散热片系统的建模只能通过测量热阻Zthja得到，即同时对通过IGBT的结、导热胶和散热片到环境的整个热量流通路径进行测量。这就是建立整个系统的局部网络热路模型，通过这个模型就可以准确地算出结温。下面介绍结温的测量原理。

热阻抗曲线的测量

例: 3.3kV的模块，带有140x190 m的基板

图 6: 基板温度测量点的位置

给模块通电流，那么就给模块加了一个恒定功率P，因此经过一段暂态时间后，模块结温上升到一个稳态固定值。关掉电源后，记录模块的冷却过程温度。在冷却过程中，给模块加一个规定的测量电流（Iref 约为 1/1000 Inom），并记录饱和导通电压或正向电压。这样结温Tj(t)可以通过测量得到的饱和导通电压经过定标曲线Tj = f(VCE @ Iref)得到。在这之前，通过外部对待测试模块的均匀加热，测量记录曲线 VCE = f(Tj @ Iref)，该曲线与Tj = f(VCE @ Iref) 相反。

图 7:定标曲线，模块结温的是通过测量流过规定电流的饱和导通压降然后再由定标曲线确定

IGBT和二极管下面（见红色标记）的基板温度是通过压力传感器测量得到的。测量得到的基板平均温度Tcase之后用于分别计算二极管和IGBT芯片的Zthjc =(Tj-Tcase) / P。温度测量时数据的不均匀和离散必须在安全裕量范围内。

模块表面到散热片的热阻可以通过散热片上三个蓝色点的测量值计算得到。不过，测量Zthja ，即从结到环境的热阻更有利。结到环境的热阻抗包含了IGBT、中间传热介质、散热片组成的整个传热介质。

图 8: 测量得到的加热和冷却曲线

如果削减了测试结温的费用，那么至少导热胶应当要包含进散热片的热特性测量中。为了实现这一点，导热胶加散热片的热阻Zthca，必须通过测量基板温度Tc减去环境温度Tamb计算得到。