摘要?

与传统单面散热 IGBT ？椴煌嫔⑷绕 IGBT ？橥毕蛘⒎戳矫娲既攘浚淙炔馐云拦婪绞叫柚匦驴剂。本文进行双面散热汽车 IGBT ？槿炔馐怨ぷ翱⒂肴冉缑娌牧涎⌒停倍员妊芯磕？檠棺胺绞剑⒊鲆恢质视糜谒嫔⑷绕 IGBT ？榈乃缑嫔⑷冉峁谷炔馐苑椒ǎ墒迪值ッ嫒茸璨馐裕员鹊ッ嬗胨嫒茸柚、实测值与仿真值之间的差异，并讨论差异产生原因与修正手段。测试结果表明，该方法具有良好的可重复性与可推广性，可为双面散热汽车 IGBT ？榈娜炔馐蕴峁┎慰。

0 引言

近年来，全球温室效应的加剧与化石能源的日渐枯竭逐渐成为制约传统燃料汽车发展的瓶颈。功率芯片的面积越来越小、开关速度越来越快、工作频率越来越高，其单位面积的热通量持续增加，功率芯片的热管理已成为制约功率？橛τ玫钠烤蔽侍猓叫柘冉姆庾敖峁购头庾肮ひ眨档凸β誓？榈娜茸。相对于传统单面散热（single-sided cooling, SSC）功率？椋嫔⑷龋╠ouble-sided cooling, DSC）功率？榫哂懈康纳⑷饶芰透偷募纳问。为了进一步提高车用电机控制器的效率、功率密度和可靠性，双面散热功率？樵诘缍抵械挠τ玫玫搅嗽嚼丛蕉嗟墓刈。随着双面散热汽车 IGBT 器件在丰田（Denso）、通用（Delphi）、特斯拉（ST）等厂家的成功批量应用，市场对双面散热 IGBT ？榈男枨蠹本缭黾。

相对于传统单面散热功率？椋嫔⑷裙β誓？椴捎孟冉娜庾敖峁。双面散热 IGBT功率？榫哂卸喔龃韧ǖ溃钟腥茸璨馐苑椒ㄈ匀谎赜玫ネǖ来鹊娜茸璨馐苑椒。与传统单面散热 IGBT 模块不同，双面散热汽车 IGBT ？橥毕蛘、反两面传导热量，其散热方式与压接式IGBT ？槔嗨疲捎诜庾敖峁共煌淠诓可⑷嚷肪队肴茸杌嵊薪洗蟛畋穑拦婪绞叫柚匦驴剂。目前，只有英飞凌等少数大厂推出了双面散热汽车系列化产品，国内外关于双面散热汽车产品热测试的可参考文献较少。

本文重点研究双面散热汽车 IGBT ？槿炔馐苑椒。首先提出一种新的双界面热测试思路，然后基于一款双面散热汽车 X ？榈姆庾敖峁股杓瓶⑷炔馐怨ぷ埃⑼瓿扇冉缑娌牧系牡餮杏胙⌒停倍阅？椴煌棺胺绞浇卸员妊芯浚⒊鲆恢质视糜谒嫔⑷绕 IGBT ？榈牡ッ嫒茸杩共馐苑椒ǎ⒊晒κ迪 X ？榈乃嬗氲ッ嫒茸璨馐裕詈蠖员鹊ッ嬗胨嫒茸柚、实测值与仿真值之间的差异，并讨论差异的产生原因与修正手段。

1 热测试方案

1.1 传统方法与主要问题

IGBT 的结温测试方法主要有热敏参数法、有限元仿真法、传感标定法、红外扫描法等，传统的IGBT ？榻-壳热阻测试采用 JESD 51—14 标准规定的双界面法，分别测量有导热脂、无导热脂两个界面下的温度曲线，转换成对应的结构函数曲线，求出两条曲线的重合部分，就可以得出 IGBT 产品的结-壳瞬态热阻抗曲线。

双面散热 IGBT ？榈慕峁固氐憔龆ㄆ涠越哟ト茸枰蠓浅８撸 X ？樘厥夤ひ展桃氲墓岸任侍饣岬贾律⑷让嬗肷⑷绕鞯闹苯友菇有Ч涣迹⑷让嬷浯嬖诳障叮斐 X 模块与散热器直接压装效果如图 1 所示。双界面法测试的前提是保证两个界面条件下芯片结-壳散热路径一致，直接压装会使其与硅脂界面的路径不一致，结构函数曲线前段不重合，导致无法准确测试热阻。故传统双界面法不适用于双面散热汽车 IGBT ？槿炔馐裕杩⑿碌慕缑娌牧洗嬷苯友菇樱匀繁Ａ礁鼋缑嫔⑷嚷肪兜囊恢滦浴

1.2 双界面散热结构测试法

为解决上述问题，本文创新性地提出双界面散热结构的热测试方法，对传统双界面法进行优化，分别采用两种不同的导热界面材料 A 与 B 对结构函数曲线进行分离。双界面材料双面耦合热阻测试方法如图 2 所示，步骤如下。

图 2? 双界面材料双面耦合热阻测试方法

1）？榈闹鳌⒋紊⑷让嬗玫既冉缑娌牧 A 覆盖，压装在散热器上，散热器持续通水，启动热阻测试，得到结构函数曲线 1-1。

2）？榈闹、次散热面用导热界面材料 B 覆盖，压装在散热器上，散热器持续通水，启动热阻测试，得到结构函数曲线 1-2。

两条结构函数曲线的重合部分即为？榈乃娼-壳热阻。

双面散热汽车 IGBT 产品金属表面结构仅传导热量而不传导电能，其散热路径可理解为两个功率与热阻参数不同的器件，背靠背地同时向两个面传导热量。从文献[17]中的压接 IGBT ？榇茸璨馐苑椒ǖ玫狡羰荆灰璺ㄊ迪炙嫔⑷绕挡返ッ嫔⑷龋砺凵峡煞直鸩饬 IGBT ？橹、次两个散热面的结构函数曲线。消除双面导热耦合效应的办法是实现热量单面传导，双界面材料单面热阻测试方法如图 3 所示，具体步骤如下。

1）？榈闹魃⑷让嬗镁炔牧细哺牵紊⑷让嫱ü缑娌牧 A 压装在散热器上，散热器持续通水散热，测得次散热面结构函数曲线 2-1。

2）？榈闹魃⑷让嬗镁炔牧细哺牵紊⑷让嫱ü缑娌牧 B 压装在散热器上，散热器持续通水散热，测得次散热面结构函数曲线 2-2。

3）？榈拇紊⑷让嬗镁炔牧细哺牵魃⑷让嫱ü缑娌牧 A 压装在散热器上，散热器持续通水散热，测得主散热面结构函数曲线 3-1。

图 3? 双界面材料单面热阻测试方法

4）？榈拇紊⑷让嬗镁炔牧细哺牵魃⑷让嫱ü缑娌牧 B 压装在散热器上，散热器持续通水散热，测得主散热面结构函数曲线 3-2。

对于单面的两次测量，因其结-壳导热路径完全一致，仅壳-散热器热阻有差别，故两条结构函数曲线在？樯⑷让娲Ψ掷耄睾喜糠旨炊杂Φ慕-壳热阻，通过以上方法即可获取对应的单面结-壳热阻。

1.3 测试工装设计

从 X 模块的结构特点与发热特性出发，经结构设计、仿真分析与优化，实现高换热效率散热器设计：在器件最大发热功率情况下，上、下散热面温差在 1℃以内，且进、出水温差在 2℃以内。X ？槿炔馐怨ぷ罢迳杓迫缤 4 所示。

图 4? X ？槿炔馐怨ぷ罢迳杓

2 材料选型

2.1 导热界面材料

按照双界面材料热测试方案，需选定合适的导热与绝热材料作为界面，以实现 IGBT ？榈乃嬗氲ッ嫒茸杩共馐。经技术调研，综合考虑各种材料的物理、化学特性，决定选用散热石墨膜、导热硅脂这两种材料作为 X ？榈娜茸璨馐缘既冉缑娌牧希涮匦圆问 1。

采用散热石墨膜作为第二界面的压装效果如图5 所示，与图 1 相比，压力均匀性得到显著改善。

图 5? X ？樯⑷仁そ缑嫜棺靶Ч

2.2 绝热界面材料

经技术调研，筛选出柔性气凝胶、聚氨酯 PU胶作为 X ？槿炔馐缘谋秆【冉缑娌牧希涮匦圆问 2。

为验证两者的实际绝热性能，用两种材料分别对次散热面进行隔热，导热材料均采用石墨膜，进行主散热面的热阻对比测试，结果如图 6 和图 7 所示。图 6 中曲线 1～4、图 7 中曲线 1～4 依次为聚氨酯 PU 胶绝热下的 IGBT 热阻与结温数据、气凝胶绝热下的 IGBT 热阻与结温数据、聚氨酯 PU 胶绝热下的快速恢复二极管（fast recovery diode, FRD）热阻与结温数据、气凝胶绝热下的 FRD 热阻与结温数据。

双面散热器件散热路径为并联，耦合热阻计算公式为

式中：R1为主散热面热阻；R2?为次散热面热阻。当次散热面为绝对绝热即 R2→∞时，总热阻 Rtot≈R1，在 R1?保持不变的前提下，材料绝热性能越差，热阻R2?越。苋茸 Rtot?越小。

图 6? 两种绝热材料下X ？橹魃⑷让嫒茸

图 7? 两种绝热材料下X ？榻嵛虑

对比结果显示，聚氨酯 PU 胶绝热下测得的结环热阻值与最高结温值均低于气凝胶，表明相同压装力矩下，气凝胶的绝热能力优于聚氨酯 PU 胶，故选择气凝胶作为热测试的绝热材料。

3 热测试与结果分析

X ？樗缑嫔⑷冉峁谷炔馐缘挠布安装方式如图 8 所示。

图 8? X ？槿炔馐杂布安装方式

3.1 方案设计

为研究压装力矩对 X ？榻-壳热阻的影响程度，设计压装力对比测试条件见表 3。

3.2 双面热阻测试

不同压装力矩下 X ？ IGBT 双面热阻如图 9所示，图中从曲线 1 和曲线 2 为 0.5N·m 压装力矩下的热阻数据，曲线 3 和曲线 4 为 1.2N·m 压装力矩下的热阻数据。

图 9? 不同压装力矩下X ？ IGBT 双面热阻

X ？樗嫒茸璨馐越峁 4。随着压装力矩增大，X ？ IGBT 和 FRD 的器件结环热阻减小，而结-壳热阻测试无明显变化，表明对于双面散热IGBT 模块，不同的压装力矩仅影响器件与散热器的接触热阻，对其结-壳热阻的测试无影响。

基于以上结论，后续测试压装力矩均设置为条件一。

3.3 热仿真

X ？榈娜确抡婺Ｐ腿缤 10 所示。

按表 3 条件一设置边界条件与隔热材料，设置单个芯片的损耗功率为 100W，得到主散热面仿真结果如图 11～图 13 所示。

按同样方法对 FRD 进行仿真，X ？槿确抡娼峁 5。

3.4 单面热阻测试

按双界面材料法分别进行 X ？榈闹、次散热面的单面热阻测试，结果如图 14 和图 15 所示。

图 15? X ？樯瞎 FRD 单面热阻测试结果

X ？榈ッ嫒茸璨馐越峁 6。

测试结果显示该方法测得的上、下管单面热阻一致性较好。

3.5 差异分析与误差修正

X ？槿茸枋挡庥敕抡娼峁员燃 7。IGBT与 FRD 的双面热阻实测值与仿真值偏差均在±5%以内，主散热面热阻的实测值与仿真值偏差均在±10%以内，次散热面热阻的实测值与仿真值偏差较大，约为 70%。

根据式（1）计算的双面耦合值与实测值对比见表 8。表中 IGBT 的单面实测耦合值与双面实测值偏差为?6%左右，FRD 的单面实测耦合值与双面实测值偏差为?10%左右，两者偏差较大。

由于不存在绝对隔热材料，双面散热？榈娜锐詈闲вξ薹ㄍ耆。对于次散热面绝热工况，由于主散热面热阻较小，绝大部分热量流经无绝热材料的主散热面，形成理想的单面散热，测试值偏差较。欢杂谥魃⑷让婢裙た觯捎诖紊⑷让姹旧砣茸杞洗螅嵊胁糠秩攘苛骶芯炔牧系闹魃⑷让妫詈闲в洗螅贾虏馐灾涤敕抡嬷档钠罱洗蟆

针对次散热面热测试中的热耦合效应，修正方法是采用基于主散热面与双面的实测热阻反推次散热面热阻的方式消除耦合效应，修正后的结果见表9，误差缩小到 25%以内。

3.6 重复性验证

为验证双面散热汽车 IGBT ？槿炔馐苑椒ǖ目芍馗葱裕 X ？榻兄馗囱棺坝肴茸璨馐裕峁 10。结果显示，五次测试结果偏差在±2%以内，表明该热测试方法具有良好的可重复性与可推广性。

4 结论

本文基于热测试工装设计、界面材料选型与压装方式对比研究，提出了一种适用于双面散热汽车IGBT ？榈乃⑷冉缑娌牧先炔馐苑椒ǎ墒迪炙嬗氲ッ娼-壳热阻测试；对于双面散热汽车 IGBT？椋谝欢ǚ段诘牟煌棺傲囟云浣-壳热阻的测试无影响；双面热阻测试方法得到的 IGBT 与FRD 的双面热阻实测值与仿真值偏差在±5%以内，单面热阻实测值与仿真值偏差在±10%以内，该方法可准确实现双面散热汽车 IGBT 的热阻测试，结果具有参考价值；双面散热？榈娜锐詈闲вξ薹ㄍ耆贾碌ッ嫒茸枋挡庵涤敕抡嬷灯。刹捎酶葜魃⑷让嬗胨媸挡馊茸璺赐拼紊⑷让嫒茸璧姆绞浇档婉詈闲вΣ⑿拚馐越峁桓萌炔馐苑椒ň哂辛己玫目芍馗葱杂肟赏乒阈。