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功率模块热传导的研究

作　者: 孙广鹏
导　师: 关艳霞
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 功率模块 ANSYS 有限元分析 IGBT 热阻
分类号: TN386
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

大功率IGBT模块是由IGBT芯片和快速恢复二极管等分离元件通过电力电子集成技术实现有机结合,并采用不同的工艺封装而成的具有实现特定功能的功率模块;在当今的电子信息,交通运输以及高端的航空航天等工业方向,IGBT功率模块都得到了广泛的应用;功率模块的高度集成性使模块使用更加便捷、实用,拓展了大功率IGBT模块更为宽广的应用领域,集成的功率模块有利于功率参数和控制方法的有机结合,增强了电力电子设备的应用灵活性。功率模块的发展在性能、集成度、可靠性几个方面取得了很大的成效,随着市场对IGBT功率模块质量和数量的需求增加,其集成度会更加提高,实现的功能更加强大,随之出现的散热问题也会日益明显,模块体积的减小必然导致其在工作过程中的传热问题。传热问题已成为影响IGBT功率模块的发展前景的重要因素和亟待解决的难题,对大功率IGBT模块进行传热研究有利于解决模块的传热问题,实现模块的高度集成和提高其应用价值。本文采用ANSYS软件对IGBT功率模块的热传导进行了有限元仿真分析,得出IGBT芯片的温度;搭建了实验平台,测出功率模块在不同耗散功率下在不同位置的温度,并和有限元分析结果进行比较,发现两者具有很好的一致性;在有限元分析和试验验证过程中总结出了功率模块内部的结构和器件的分布规律,引出了热阻的概念,得出了影响功率模块热阻主要因素和减小其热阻的基本途径,并结合传热规则,对IGBT功率模块内部的部分结构和尺寸参数提出了一些优化设计的方法,并对其进行理论上的论证。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章引言  9-16
  1.1 研究背景  9-13
    1.1.1 电力电子器件的发展情况  9-10
    1.1.2 功率模块的发展现状  10-12
    1.1.3 功率模块的发展前景  12-13
  1.2 研究意义及研究内容  13-14
    1.2.1 研究的意义  13-14
    1.2.2 研究的内容  14
  1.3 研究的方法和步骤  14-16
第二章热力学有限元分析的理论基础  16-22
  2.1 有限元热分析的定义  16
  2.2 传热的基本方式  16-17
  2.3 热分析的形式  17-18
  2.4 传热学的分析单位和分析符号  18-20
  2.5 研究方法分类  20-22
    2.5.1 解析法  20
    2.5.2 实验法  20
    2.5.3 数值法  20-22
第三章有限元仿真  22-38
  3.1 有限元分析方法简介  22-23
  3.2 有限元分析主流软件ANSYS  23-24
  3.3 ANSYS软件结构简介  24-25
  3.4 ANSYS有限元典型分析的步骤  25-26
  3.5 热传导控制微分方程和边界条件类型  26-28
  3.6 热分析单元简介  28
  3.7 功率模块电路的稳态几何模型  28-32
  3.8 功率模块MMG75SR120B的有限元模型  32-34
  3.9 初始边界条件和仿真结果  34-38
第四章实验电路与瞬态分析  38-42
  4.1 功率模块的实验电路  38-39
  4.2 实验结果  39-40
  4.3 仿真结果与实验结果分析  40
  4.4 功率电路的瞬态分析  40-42
第五章功率模块的优化设计  42-50
  5.1 MMG75S120B模块的热阻  42-45
  5.2 DBC对热阻的影响  45-47
  5.3 铜基板厚度对热阻的影响  47-48
  5.4 散热条件对热阻的影响  48
  5.5 模块内部芯片对热阻的影响  48-50
第六章结论  50-51
参考文献  51-53
在学研究成果  53-54
致谢  54

功率模块热传导的研究

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