新型不带铜底板IGBT功率模块的散热设计

　　德国威科电子有限公司上海代表处陈道杰ChenDaoie点，新型的不带铜底板的功率模块，它的优点是体积小，重量轻，成本低；缺点是它的散热性能受导热硅脂性能和厚度的影响非常大。本文通过大量仿真及，现在市场上大量使用的第四代IGBT芯片的体积只有代芯片的40.据估计，第六代芯片的体积更是只有代芯片的四分之一大小。IGBT芯片的更新换代给IGBT模块的封装提出了新的课题。老式的基于晶闸管结构的32mm带有铜底板的封装已经不能满足市场的需要，各模块厂家相继推出了自己的新的封装结构。在这其中，低成本的不带有铜底板的封装模式成为了新的发展方向。德国威科电子有限公司（VincotechGmbh）无疑是不带铜底板模块封装结构创新的者。继早推出不带铜底板封装flowl以后，又推出更加紧凑型的flowO封装；2006年底再次推出两款适合书本式变频器，箱体伺服控制器结构的不带铜底板的封装：flw901，flow902；2010年又发布了低成本的IPM封装flowlB.但是这种不带铜底板的功率模块相对于原来的带铜底板的模块在散热能力上相差多少呢，作为一种新的封装形式，在实际应用中，又要注意哪些问题呢，2模块的结构和仿真试验条件bookmark1不带铜底板模块的结构图如所示，带铜底板模块的结构图如所示。

　　以下是，横坐标为不同结构及安装形时，Rthh为1.3k/W，但是当硅脂厚度为150Mm时，Rthh式的模块，其中左边4个是带有铜底板的模块，导热硅脂为4.0k/W，几乎增大了300，这是非常可怕的，对模块的厚度分别从2Mm到15Mm；右边4个是不带有铜底板散热能力的影响也是致命的。即使导热硅脂的厚度控制在的模块，导热硅脂的厚度也是从20（m到15Mm；纵坐标8Mm~IOO|m之间，相应模块的热阻的误差也接近50.代表了热阻大小，不同颜色的柱状体代表模块内部不同层这也就是说，不带铜底板功率模块在实际应用中，如果导的热阻。从中可以看出导热硅脂的厚度对模块内部热热硅脂厚度控制得不好，就很容易产生芯片过热炸管的质阻Rtht（从芯片结点到模块外壳）基本没有影响带有铜量问题。而且更严重的是这种故障，逆变器本身的保护功底板模块内部的热阻大小为。76k/W，不带有铜底板能是没有办法监控的。因为逆变器一般是采用散热器过热模块内部的热阻1大小为。89k/W，后者比前者的热阻保护和逆变器过流保护来监控系统的热特性，但是由导热f变铎播世揪2年1月画bookmark4硅脂性能造成的热阻Rthh的增加，既不会造成散热器温度的明显升高，也不会造成电流增加，所以逆变器的保护功能不会起作用。因此要确保不带铜底板模块的应用可靠性，控制好导热硅脂的厚度就非常重要。

　　另外，现在不带铜底版的模块陶瓷基板材料通用的主要有两种，AL203和ALN.其中ALP；的热传导率为20W/KXm，ALN的热传导率为150-180W/KXm，ALN比AL203的导热性能要好79倍，所以ALN陶瓷基板主要用于性能要求更高或者中大功率的应用场合。

　　但同样的问题，ALN陶瓷基板模块的热传导性能对导热硅脂的厚度会更加敏感。为导热硅脂厚度为3Mm时不同结构模块的热阻分布图，由图可见同样0.64mm厚度的ALN模块内部热阻R，hTrTc要远远小于0.64mm厚度ALA陶瓷基板模块。但是即使导热硅脂涂抹厚度控制得非常好（D=3Mm），导热硅脂的热阻R，hT￡Thl也大于模块内部的热阻RthTpT设想如果客户在生产时，不能保证硅脂涂抹的质量，导热硅脂厚度大于5Mm，甚至大于100pm，那么模块厂家使用ALN陶瓷基板所带来的好处将消板模块的涂抹方法，使用滚筒涂抹，由于整个过程是手工涂抹的，导热硅脂的厚度很难控制；另方面，导热率较高的硅脂一般都会比较粘，滚筒涂抹的方法也无法操作。造成的结果就是系统热阻比较大，而且稳定性较差，容易发生质量事故。为了克服这个问题，现在有些厂家使用的导热薄膜，使用方便，而且厚度固定，导热率较高，系统可靠性大大提高，基本能满足AL203陶瓷基板模块。但是由于其厚度较厚，总的热阻仍然很难大幅降低，对于ALN陶瓷基板模块，这仍然是个瓶颈。

　　5对策一预涂离性能导热硅脂bookmark5 Vincotech公司是传统功率模块制造商，对这个问题进行了大量的研究和。

　　表1预涂高性能导热51旨特性参数失殆尽。对于ALN陶瓷基板的高性能模块，要想真正大化的发挥它的优势，不仅要确保硅脂涂抹的厚度和均匀度，还需要提高硅脂本身的性能，使用导热率更高的硅脂。

　　针对Vincotech旗下不同的模块封装，进一步进行了厚度的优化。不同封装涂抹后的硅脂厚度，如表2所示，模块涂抹后的硅脂形状和外观，如所示。

　　表2不同模块封装优化后的导热旨厚度参数小值|典型值大值单位厚度flow0305580um厚度flow1Al2，DBC406080um厚度HowIB7090110um网状直径（见）3.0mm网状间距（见）0.5mm针对预涂硅脂带来的热阻改善，相关测试条件和结果如下：（1）测试条件4硅脂使用现状bookmark6现在绝大多数厂家延续使用带铜底测试硅脂：导热率为lW/KXm的常用导热硅脂和预涂硅脂；硅脂厚度都为（2）测试结果（下转第68页）THE技木探讨与研究示，（b）为电磁转矩局部放大图。

　　从可以看出，电磁转矩在一定的范围值内波动，波动值为0.6Nm左右。（a）为定子磁链轨迹图，为定子磁链局部放大图。由可知，在空间矢量调制下定子磁链的运动轨迹趋近于圆形，曲线比较光滑且幅看出，转速曲线快速地跟踪给定值，在t=0.02s左右经过一段时间的振荡后逐渐接近给定值，并达到了稳态。t=.2s突加负载时，转速有所下降，并与给定值稍有误差，其后跟踪给定信号，转速保持稳定。t=0.4S时负载由20Nm降至10Nm，转速几乎不变，在500rad/s附近。由此可知，直接转矩控制系统在负载发生变化时，其转速需经过一定的调整时间而后跟踪给定信号，使转速值接近稳态值。

　　4结束语本文设计了一种直接转矩控制方法，并应用于感应电动机控制，仿真结果表明该控制器结构简单，无需旋转坐标变换，转矩采用“bang-bang”控制，响应快，动态性能好，参数鲁棒性好。

　　韩亚军（1980-）男讲师，现就职于重庆科创职业学院机电技术中心，主要从事控制理论方面的教学和研究工作。