汽车用IGBT内部接触热阻优化

时间:2018-5-27 分享到:
摘要:由于IGBT封装系统总热阻一半左右来自接触热阻[1], 故在热界面处涂抹导热硅脂, 以填补接触界面之间的间隙, 降低接触热阻。文章利用红外热像测温技术, 对模拟IGBT封装系统进行了各种实验工况的测试, 采集在热界面涂抹不同导热硅脂下, 散热器表面的红外热像图。最后通过对热像图的数据分析可以得到, 在热界面处涂抹导热硅脂能有效的减少封装系统的接触热阻, 最高能降低11.3%。

  引言:随着汽车工业的不断发展, 汽车内部电子器件越来越多, 其功率密度也逐步增加, 工作温度也不断升高。在2016年10月8日德国参议院通过了关于2030年禁止内燃机汽车上路的提案后, 各大企业和高校纷纷展开对新能源汽车的猛烈研究, 加快新能源汽车的发展, 特别是大力投入电动汽车的研发。IGBT作为电动汽车控制控制器的核心模块, 其功率密度逐步增加, 温度也逐步增加。为了满足电动汽车对IGBT器件应用的不断需求, 热可靠性已经成为了IGBT器件的巨大挑战。故对IGBT器件的散热性能研究具有重大意义。由于接触热阻大约占了压盖式IGBT总热阻的50%, 所以优化IGBT的接触热阻能极大改善其散热性能。本文以简化后IGBT模型为实验主体, 研究在接触热界面涂抹不同导热硅脂对接触热阻的影响, 搭建实验台架, 根据是否涂抹导热硅脂以及导热硅脂性能分为三个大工况, 在每个工况下又根据功率不同, 每个大工况分为四个小工况, 从而进行实验。

1 理论与模型简化

1.1 接触热阻定义

当两个粗糙表面被接触时, 实际接触仅发生在某些离散点或微接触处, 而非接触区域形成真空或者一些介质 (例如空气, 水或油) 填充在内。实际接触面积大约只占理想接触面积的0.01%-0.1%, 即使在接触压力10 MPa下, 该比例仅仅增加到1%-2%。因为实际的接触面积相对较小, 界面气体的热导率也相对微小, 通过界面的热流经历相对较大的热阻, 通常称为接触热阻[2]

1.2 接触热阻测量方法的选择

接触热阻的测量方法一般有三种, 一是热电偶法, 热电偶是接触式测量方法, 存在较大干扰, 故精度不高。二是红外成像系统测量法, 也叫红外热像仪, 虽然精度可以达到0.1℃。但只能采集一个二维界面上的温度。三是光热法, 光热法是瞬时过程中广泛使用的接触热阻测量方法。热接触电阻是通过热波和调制波遇到界面后的相位差获得的。然而, 由于热波在接触界面扩散, 破坏了他们的相位关系, 所以光热法的精度受到界面特性的影响, 结果也不太准确。本实验采用红外成像系统测量法, 通过测量散热器表面温度变化来体现接触热阻的变化[3]

1.3 模型简化

由于实验受到实验条件的限制, 无法对一个正在工作中的汽车IGBT工作负荷进行任意调动, 以及涂抹不同的导热硅脂在热接触面处, 故需要对其进行模型简化。由于本文研究侧重点在接触热阻, 所以将IGBT的功率模块简化为两个模拟发热模块, 发热模块由加热电阻和铜片组成, 通过控制加热电阻上输入的电流电压来实现模块发热功率的变化。

2 实验的建立

本实验的目的是为了优化汽车IGBT的内部接触热阻, 从而使IGBT工作在靠的温度范围内, 保证其可靠性。故设计以下实验, 测量在热界面处涂抹不同导热硅脂时散热器表面温度, 并用来反应其内部接触热阻的变化, 寻找减少接触热阻的方法。

实验工具如图1所示主要包括:红外热像仪, 其主要作用是拍摄红外热像图, 测量散热器表面温度;温度计, 其作用是测量室内环境温度, 使实验控制在22-23℃的室温条件下;三脚架, 其作用是固定红外热像仪的位置, 使每次拍摄时红外热像仪保持相同焦距, 减少实验误差;直流稳压电源, 为发热模块施加可调大小的电流和电压, 为发热模块提供不同的发热功率;笔记本电脑, 其作用是读取红外热像图;数据采集卡用于记录各个工况下散热器表面温度。实验主体是由发热模块, 底部基座, 热界面材料, 肋板式散热器组成的模拟IGBT封装系统, 其中图2系统原理图。

根据是否涂抹导热硅脂以及导热硅脂的性能将实验工况分为如下三个大工况:

(1) 涂抹导热硅脂 (2) 涂抹导热系数为1.2W/m·K的导热硅脂 (型号为国产卡夫特K-5211) (3) 涂抹导热系数为6.0 W/m·K的导热硅脂 (型号为德国Keratherm KP-98) 根据不同的功率负荷, 每个工况包含四个不同功率负荷。发热模块功率分配表如表1。

表1 模拟发热模块功耗分配表

汽车用IGBT内部接触热阻优化

实验方法是将导热硅脂均匀涂抹在与热界面材料接触的发热模块上表面以及散热器底面, 如图2所示, 然后将稳压直流电源调试到表2的相应功率负荷, 对发热模块进行加热至稳态, 即散热器表面温度不在变化。并用红外热像仪拍摄散热器表面的温度分布图。重复以上步骤, 直至所有工况实验做完。

3 实验结果及分析

根据实验步骤和要求, 完成实验后得到了各个工况负荷下散热器表面的最高温度, 平均温度如表3所示, abc分别代表不涂抹导热硅脂、涂抹导热系数为1.2W/m·K的导热硅脂和涂抹导热系数为6.0 W/m·K的导热硅脂的三种工况。

由图3可以看出, 在热接触面涂抹导热硅脂后, 散热器表面温度增加, 最大增加幅度约11.39%, 这说明涂抹导热硅脂能有效的降低接触面的热阻, 将热量从IGBT内部带到散热器表面。在低功率负荷功率时, 温度上升不明显。在高功率负荷下温度上升明显, 其散热效果也就更好。

汽车用IGBT内部接触热阻优化
图3 涂抹不同导热硅脂对散热器表面平均温度的影响

4 结论

给热接触面涂抹导热硅脂以后, 散热器表面最高温度和平均温度均有明显的升高, 接触面的接触热阻下降也十分明显。这是由于导热硅脂的导热系数远远大于空气的导热系数, 可以迅速将热量从IGBT内部带出。

涂抹导热系数较高的导热硅脂比导热系数一般的导热硅脂的效果好, 在采用涂抹导热硅脂来降低接触热阻时, 应该选择导热系数较高的导热硅脂。

本次实验中涂抹导热硅脂后, 散热器表面的温度升高, 其主要原因是涂抹导热硅脂后, 接触热阻降低, 大量热量就带到了散热器, 实验是在整个装置自然冷却的条件下进行的, 散热器表面热量没及时传导到空气中, 故散热器表面温度升高。

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