功率半导体模块的温控散热器设计方法

功率半导体模块的温控散热器设计方法

中文关键词:  功率半导体  环境温度  温控散热器

作者                              单位
刘波                              上海交通大学电子信息与电气工程学院, 上海 200240
杨云霄                           上海交通大学电子信息与电气工程学院, 上海 200240
朱晔                              上海交通大学电子信息与电气工程学院, 上海 200240
马柯                              上海交通大学电子信息与电气工程学院, 上海 200240

中文摘要:
随着可再生能源不断开发，电力电子系统的运行条件愈发严苛，对功率半导体器件的可靠性提出了严峻的挑战，其中，严苛的环境温度及器件温度的快速变化是影响功率器件寿命的2个主要因素。因此，模拟环境温度对功率器件的影响是分析器件老化因素的关键步骤。由于传统模拟环境温度的方法昂贵且不能模拟温度的急剧变化，因此提出了一种功率半导体器件的温控散热器设计方法。该设计方法引入了基于PLECS的热仿真模型及基于占空比可变开关信号的温度控制算法，能够实现功率半导体器件环境温度的模拟。相较于传统方法（如温箱），该方法能够实现更快的温度响应速度，且成本更低。搭建了实验样机，通过实验验证了该设计方法的有效性。

内容节选：
功率半导体器件是电力电子系统中最关键也是最脆弱的部件，随着电力电子系统的工况条件日渐复杂严苛，环境因素给功率半导体器件可靠性带来了严峻的挑战[1]。根据电力电子功率变换器可靠性的工业调查，功率半导体器件相关的失效占据整个电力电子系统失效的31%，极端环境温度占据了功率变换器环境压力的35%；近一半的功率变换器受到温度波动的危害[2]。可见，高温以及温度的剧烈变化是影响功率器件寿命的2个主要因素。
目前，已有一些研究工作将功率半导体器件的基板温度及环境温度对其产生的影响纳入可靠性设计的考虑范畴。文献[3]分析了环境温度对于功率变换器寿命测试及评估的重要性；文献[4]分析了气温波动对风电变流器系统中功率器件寿命的影响；文献[5]讨论了高温环境对SiC JFET构成的逆变器的影响；文献[6]将温度纳入SiC MOSFET建模的影响因子中；文献[7]使用仿真方法分析了环境温度对光伏模块的影响；文献[8-9]使用温箱测试分析高温环境对电力电子系统建模的影响。目前已有的研究工作中，温箱是最常用的模拟功率半导体器件环境温度的测试方法。然而，温箱通常价格昂贵且体积庞大，且温度上升、下降速度缓慢，无法模拟温度的剧烈变化。文献[10]则用内置陶瓷加热器的圆柱体装置，分析了宽范围环境温度对油浸式电力电子系统的影响，但该方法仅适用于温度稳定情况下的油浸式系统的环境温度模拟。因此，目前业界仍然缺少能模拟功率器件较快的动态环境温度变化、低成本、测试灵活且符合国际测试标准的测试方法。
本文提出一种低成本的可以模拟功率半导体器件环境温度的温控散热器设计方法。首先，本文提出并阐释了使用温控散热器模拟器件环境温度的概念，并提出了基于此方法的模拟系统结构；其次，搭建了基于PLECS仿真软件的热仿真模型用于指导温控散热器设计，并展示了温控散热器的设计原则及设计流程；最后，展示了设计并实现的温控散热器的控温及模拟效果。

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2020-3-13 11:20 上传

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