汽車用(yòng)IGBT内部接觸熱(rè)阻優化(huà)

  引言：随著(zhe)汽車工業的(de)不斷發展, 汽車内部電子器件越來(lái)越多(duō), 其功率密度也(yě)逐步增加, 工作溫度也(yě)不斷升高(gāo)。在2016年10月(yuè)8日德國參議(yì)院通(tōng)過了(le)關于2030年禁止内燃機汽車上路的(de)提案後, 各大(dà)企業和(hé)高(gāo)校紛紛展開對(duì)新能源汽車的(de)猛烈研究, 加快(kuài)新能源汽車的(de)發展, 特别是大(dà)力投入電動汽車的(de)研發。IGBT作爲電動汽車控制控制器的(de)核心模塊, 其功率密度逐步增加, 溫度也(yě)逐步增加。爲了(le)滿足電動汽車對(duì)IGBT器件應用(yòng)的(de)不斷需求, 熱(rè)可(kě)靠性已經成爲了(le)IGBT器件的(de)巨大(dà)挑戰。故對(duì)IGBT器件的(de)散熱(rè)性能研究具有重大(dà)意義。由于接觸熱(rè)阻大(dà)約占了(le)壓蓋式IGBT總熱(rè)阻的(de)50%, 所以優化(huà)IGBT的(de)接觸熱(rè)阻能極大(dà)改善其散熱(rè)性能。本文以簡化(huà)後IGBT模型爲實驗主體, 研究在接觸熱(rè)界面塗抹不同導熱(rè)矽脂對(duì)接觸熱(rè)阻的(de)影(yǐng)響, 搭建實驗台架, 根據是否塗抹導熱(rè)矽脂以及導熱(rè)矽脂性能分(fēn)爲三個(gè)大(dà)工況, 在每個(gè)工況下(xià)又根據功率不同, 每個(gè)大(dà)工況分(fēn)爲四個(gè)小工況, 從而進行實驗。

當兩個(gè)粗糙表面被接觸時(shí), 實際接觸僅發生在某些離散點或微接觸處, 而非接觸區(qū)域形成真空或者一些介質 (例如空氣, 水(shuǐ)或油) 填充在内。實際接觸面積大(dà)約隻占理(lǐ)想接觸面積的(de)0.01%-0.1%, 即使在接觸壓力10 MPa下(xià), 該比例僅僅增加到1%-2%。因爲實際的(de)接觸面積相對(duì)較小, 界面氣體的(de)熱(rè)導率也(yě)相對(duì)微小, 通(tōng)過界面的(de)熱(rè)流經曆相對(duì)較大(dà)的(de)熱(rè)阻, 通(tōng)常稱爲接觸熱(rè)阻[2]。

接觸熱(rè)阻的(de)測量方法一般有三種, 一是熱(rè)電偶法, 熱(rè)電偶是接觸式測量方法, 存在較大(dà)幹擾, 故精度不高(gāo)。二是紅外成像系統測量法, 也(yě)叫紅外熱(rè)像儀, 雖然精度可(kě)以達到0.1℃。但隻能采集一個(gè)二維界面上的(de)溫度。三是光(guāng)熱(rè)法, 光(guāng)熱(rè)法是瞬時(shí)過程中廣泛使用(yòng)的(de)接觸熱(rè)阻測量方法。熱(rè)接觸電阻是通(tōng)過熱(rè)波和(hé)調制波遇到界面後的(de)相位差獲得(de)的(de)。然而, 由于熱(rè)波在接觸界面擴散, 破壞了(le)他(tā)們的(de)相位關系, 所以光(guāng)熱(rè)法的(de)精度受到界面特性的(de)影(yǐng)響, 結果也(yě)不太準确。本實驗采用(yòng)紅外成像系統測量法, 通(tōng)過測量散熱(rè)器表面溫度變化(huà)來(lái)體現接觸熱(rè)阻的(de)變化(huà)[3]。

由于實驗受到實驗條件的(de)限制, 無法對(duì)一個(gè)正在工作中的(de)汽車IGBT工作負荷進行任意調動, 以及塗抹不同的(de)導熱(rè)矽脂在熱(rè)接觸面處, 故需要對(duì)其進行模型簡化(huà)。由于本文研究側重點在接觸熱(rè)阻, 所以将IGBT的(de)功率模塊簡化(huà)爲兩個(gè)模拟發熱(rè)模塊, 發熱(rè)模塊由加熱(rè)電阻和(hé)銅片組成, 通(tōng)過控制加熱(rè)電阻上輸入的(de)電流電壓來(lái)實現模塊發熱(rè)功率的(de)變化(huà)。

本實驗的(de)目的(de)是爲了(le)優化(huà)汽車IGBT的(de)内部接觸熱(rè)阻, 從而使IGBT工作在靠的(de)溫度範圍内, 保證其可(kě)靠性。故設計以下(xià)實驗, 測量在熱(rè)界面處塗抹不同導熱(rè)矽脂時(shí)散熱(rè)器表面溫度, 并用(yòng)來(lái)反應其内部接觸熱(rè)阻的(de)變化(huà), 尋找減少接觸熱(rè)阻的(de)方法。

實驗工具如圖1所示主要包括:紅外熱(rè)像儀, 其主要作用(yòng)是拍(pāi)攝紅外熱(rè)像圖, 測量散熱(rè)器表面溫度;溫度計, 其作用(yòng)是測量室内環境溫度, 使實驗控制在22-23℃的(de)室溫條件下(xià);三腳架, 其作用(yòng)是固定紅外熱(rè)像儀的(de)位置, 使每次拍(pāi)攝時(shí)紅外熱(rè)像儀保持相同焦距, 減少實驗誤差;直流穩壓電源, 爲發熱(rè)模塊施加可(kě)調大(dà)小的(de)電流和(hé)電壓, 爲發熱(rè)模塊提供不同的(de)發熱(rè)功率;筆記本電腦(nǎo), 其作用(yòng)是讀取紅外熱(rè)像圖;數據采集卡用(yòng)于記錄各個(gè)工況下(xià)散熱(rè)器表面溫度。實驗主體是由發熱(rè)模塊, 底部基座, 熱(rè)界面材料, 肋闆式散熱(rè)器組成的(de)模拟IGBT封裝系統, 其中圖2系統原理(lǐ)圖。

根據是否塗抹導熱(rè)矽脂以及導熱(rè)矽脂的(de)性能将實驗工況分(fēn)爲如下(xià)三個(gè)大(dà)工況:

(1) 塗抹導熱(rè)矽脂 (2) 塗抹導熱(rè)系數爲1.2W/m·K的(de)導熱(rè)矽脂 (型号爲國産卡夫特K-5211) (3) 塗抹導熱(rè)系數爲6.0 W/m·K的(de)導熱(rè)矽脂 (型号爲德國Keratherm KP-98) 根據不同的(de)功率負荷, 每個(gè)工況包含四個(gè)不同功率負荷。發熱(rè)模塊功率分(fēn)配表如表1。

表1 模拟發熱(rè)模塊功耗分(fēn)配表

實驗方法是将導熱(rè)矽脂均勻塗抹在與熱(rè)界面材料接觸的(de)發熱(rè)模塊上表面以及散熱(rè)器底面, 如圖2所示, 然後将穩壓直流電源調試到表2的(de)相應功率負荷, 對(duì)發熱(rè)模塊進行加熱(rè)至穩态, 即散熱(rè)器表面溫度不在變化(huà)。并用(yòng)紅外熱(rè)像儀拍(pāi)攝散熱(rè)器表面的(de)溫度分(fēn)布圖。重複以上步驟, 直至所有工況實驗做(zuò)完。

根據實驗步驟和(hé)要求, 完成實驗後得(de)到了(le)各個(gè)工況負荷下(xià)散熱(rè)器表面的(de)最高(gāo)溫度, 平均溫度如表3所示, abc分(fēn)别代表不塗抹導熱(rè)矽脂、塗抹導熱(rè)系數爲1.2W/m·K的(de)導熱(rè)矽脂和(hé)塗抹導熱(rè)系數爲6.0 W/m·K的(de)導熱(rè)矽脂的(de)三種工況。

由圖3可(kě)以看出, 在熱(rè)接觸面塗抹導熱(rè)矽脂後, 散熱(rè)器表面溫度增加, 最大(dà)增加幅度約11.39%, 這(zhè)說明(míng)塗抹導熱(rè)矽脂能有效的(de)降低接觸面的(de)熱(rè)阻, 将熱(rè)量從IGBT内部帶到散熱(rè)器表面。在低功率負荷功率時(shí), 溫度上升不明(míng)顯。在高(gāo)功率負荷下(xià)溫度上升明(míng)顯, 其散熱(rè)效果也(yě)就更好。

給熱(rè)接觸面塗抹導熱(rè)矽脂以後, 散熱(rè)器表面最高(gāo)溫度和(hé)平均溫度均有明(míng)顯的(de)升高(gāo), 接觸面的(de)接觸熱(rè)阻下(xià)降也(yě)十分(fēn)明(míng)顯。這(zhè)是由于導熱(rè)矽脂的(de)導熱(rè)系數遠(yuǎn)遠(yuǎn)大(dà)于空氣的(de)導熱(rè)系數, 可(kě)以迅速将熱(rè)量從IGBT内部帶出。

塗抹導熱(rè)系數較高(gāo)的(de)導熱(rè)矽脂比導熱(rè)系數一般的(de)導熱(rè)矽脂的(de)效果好, 在采用(yòng)塗抹導熱(rè)矽脂來(lái)降低接觸熱(rè)阻時(shí), 應該選擇導熱(rè)系數較高(gāo)的(de)導熱(rè)矽脂。

本次實驗中塗抹導熱(rè)矽脂後, 散熱(rè)器表面的(de)溫度升高(gāo), 其主要原因是塗抹導熱(rè)矽脂後, 接觸熱(rè)阻降低, 大(dà)量熱(rè)量就帶到了(le)散熱(rè)器, 實驗是在整個(gè)裝置自然冷(lěng)卻的(de)條件下(xià)進行的(de), 散熱(rè)器表面熱(rè)量沒及時(shí)傳導到空氣中, 故散熱(rè)器表面溫度升高(gāo)。