IGBT模块及散热系统的等效热模型

功率器件作为电力电子装置的核心器件，在设计及使用过程中如何保证其可靠运行，一直都是研发工程师最为关心的问题。功率器件除了要考核其电气特性运行在安全工作区以内，还要对器件及系统的热特性进行精确设计，才能既保证器件长期可靠运行，又充分挖掘器件的潜力。而对功率器件及整个系统的热设计，都是以器件及系统的热路模型为基础来建模分析的，本文对IGBT模块的等效热路模型展开基础介绍，所述方法及思路也可用于其他功率器件的热设计。

表征热特性的物理参数有两个：热阻R和热容C，热阻R是反映物体对热量传导的阻碍效果，而热容C则是衡量物质所包含热量的物理量。一般物质上都同时存在热阻和热容两个特性，并且由于热阻和热容特性的同时作用，又产生了瞬态热阻抗Zth的特性。

一般业界有两种等效热路模型来描述功率器件的热特性：连续网络模型和局部网络模型，又称Cauer 模型和Foster模型，或者简称T型模型和π型模型。如图1所示。

（a）连续网络热路模型

(也称Cauer 模型或T型模型)

（b）局部网络热路模型

(也称Foster模型或π型模型)

图1.两种热路模型示意图

(a)IGBT瞬态热阻抗曲线 （b）反并联二极管瞬态热阻抗曲线

图2.英飞凌IGBT模块瞬态热阻抗曲线（基于Foster模型，示例：FF600R12ME4）

如图1(a)，Cauer模型的结构比较真实的反应出真实的热阻热容物理结构。如果散热系统中每一层的材料的特性参数都已知时，可以通过理论计算公式来建立这种模型。并且，模块内的每一层（从芯片、芯片的焊接层、绝缘衬底、衬底焊接层、到底板）都有一对R/C参数来对应，因此通过图1(a)中的节点就可以得到每层物质的温度。但对实际系统，在热传递中很难确定热流在每一层中的分布，因此实际建模时一般不使用Cauer模型。

与Cauer模型不同，图1(b)中的Foster模型的R/C参数虽然不再与各材料层相对应，网络节点也没有任何物理意义，但是该模型中的R/C参数很容易从实际测量得到的瞬态热阻抗Zth曲线上拟合提取出来，因此该模型往往用于实际建模、仿真计算芯片的结温。英飞凌IGBT模块的数据手册上就分别给出了IGBT芯片与反并联二极管芯片的Zthjc曲线，以及基于Foster模型回路的四阶参数列表（以热阻ri和时间常数τi对应组合的形式），如图2所示为英飞凌FF600R12ME4模块的瞬态热阻抗曲线。

图2中给出的：

动态热阻曲线可表达为：