基于改进3D热网络模型与实验的多芯片IGBT模块结温预测方法研究

为解决多芯片IGBT模块中热耦合效应导致的结温预测难题，研究人员提出了一种改进的3D热网络模型。该模型通过有限元法提取热参数，并采用等效功率损耗量化热耦合效应，将预测误差降至1.27%。研究揭示了电流幅值、冷板温度、等效传热系数(HTC)和开关频率对结温的影响规律，为高功率电子系统的热管理优化提供了重要依据。

　　

在高速铁路、航空航天和电动汽车等领域，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)因其快速开关能力和优异的高压耐受性成为核心元件。然而，多芯片IGBT模块中芯片间的热耦合效应显著增加了结温预测的复杂度。过高的结温会引发焊料裂纹、空洞形成和键合线断裂等故障，据统计，功率器件故障中约55%与温度相关。传统的一维热网络模型仅考虑自热参数，往往低估实际结温，而现有三维模型需要大量瞬态仿真，计算效率低下。

为解决这些问题，国内研究人员在《Results in Engineering》发表论文，提出了一种改进的3D热网络模型。该研究通过有限元法(FEM)提取热参数，基于热流分布计算有效导热面积，并创新性地采用等效功率损耗法量化热耦合效应。关键技术包括：1) 基于SEMIKRON SEMiX603GB12E4p模块构建物理模型；2) 通过稳态FEM仿真提取自热参数(热阻R和热容C)；3) 采用椭圆近似法计算芯片间热耦合区域；4) 在热网络节点施加等效功率损耗模拟耦合效应。

模型开发与参数提取
研究首先建立了包含芯片、焊料层、铜层等7层结构的IGBT有限元模型，材料热导率采用温度依赖性函数。通过垂直热流曲线计算各层有效导热面积，进而推导自热参数。对于对流换热热阻，单独采用HTC相关公式计算。

等效功率损耗方法
针对传统圆形导热面积假设的不足，提出椭圆形耦合区域算法。以IGBT2为例，通过短半轴计算确定热耦合作用节点，并基于累积热阻和温升差计算等效功率损耗，实现热耦合效应的量化表征。

模型验证
实验采用红外热像仪测量结温，在20A电流和20°C冷板条件下，模型对三个芯片的预测误差分别为0.14%、0.76%和1.27%。相比传统Cauer模型3.95%的误差，改进模型精度显著提升。

参数影响分析

• 电流幅值：电流从10A增至20A时，IGBT2结温上升6°C，等效功率损耗呈线性增长。
• 冷板温度：降低冷板温度可增强热梯度，但热流和有效面积基本不变。
• HTC值：当HTC从400增至40,000 W·m^-2·°C^-1时，结温下降68.58°C，但超过4,000 W·m^-2·°C^-1后降温趋势减缓。
• 开关频率：频率从1Hz升至10Hz时，峰值结温降低1.71°C，温度波动幅度缩小53.3%。

该研究创新性地将等效功率损耗法与3D热网络结合，不仅简化了计算流程，更实现了多芯片IGBT结温的高精度预测。研究揭示的热参数影响规律为优化散热设计提供了直接依据，例如建议HTC控制在4,000 W·m^-2·°C^-1以上以获得最佳性价比。这些成果对提升高功率电子设备的可靠性和寿命具有重要工程价值，尤其适用于需要精确热管理的轨道交通和新能源领域。