宋 陽,于 磊
(1.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710065; 2.西安理工大學(xué) 自動與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710048)
大功率半導(dǎo)體器件是電力電子行業(yè)的核心器件之一,廣泛應(yīng)用于電力、交通、能源等領(lǐng)域,具有良好的市場前景。集成門極換流晶閘管(IGCT)是在門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件[1],它具有大功率、低損耗、開關(guān)速度高、結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于多個工業(yè)領(lǐng)域。IGCT是通過印刷電路板將門極換流晶閘管(GCT)與其門極驅(qū)動電路連接在一起,作為承載體的PCB直接影響到IGCT能否可靠、穩(wěn)定的工作。大功率器件的溫度控制一直是研究重點(diǎn),其溫度和失效性成正比,當(dāng)工作溫度超過最高結(jié)溫(125 ℃)時,器件的性能會顯著下降,甚至失效[2]。在GCT 管的工作過程中,熱量會通過空氣以及PCB中的銅層傳遞到驅(qū)動電路部分,影響驅(qū)動電路的元器件的工作甚至導(dǎo)致其失效,電子元器件和PCB上組件的外部引腳產(chǎn)生熱應(yīng)力,應(yīng)力集中的區(qū)域會因為疲勞而斷裂,致使器件失效。熱應(yīng)力還會使PCB翹起變形,導(dǎo)致虛焊或者脫焊等情況發(fā)生。因此利用仿真軟件對產(chǎn)品的散熱進(jìn)行設(shè)計非常重要。PCB熱分析在國內(nèi)外都有諸多研究者進(jìn)行研究,在PCB溫度預(yù)測方面,Musznicki P等人提出了PCB組件溫度的半解析法,這種方法可以有效預(yù)測多熱源PCB穩(wěn)態(tài)情況下的最終溫度[3]。文獻(xiàn)提出了模擬印刷電路板的溫度場分布的方法,并分析證明了導(dǎo)熱層的銅層越厚,器件的工作溫度越低[4]。本文針對4500V/1100A IGCT驅(qū)動電路設(shè)計出一套完整的PCB版圖,利用Flotherm軟件對PCB進(jìn)行熱分析,建立散熱模型,完成IGCT整體熱仿真,提出了外加強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器的設(shè)計方案,對整個IGCT進(jìn)行了熱分析,保證GCT芯片的可靠工作。
功率器件封裝發(fā)展方向是高集成度、低損耗、微型化等,功率密度越來越高[5]。如果器件的熱量不能及時散發(fā)出去,會導(dǎo)致器件的結(jié)溫度急劇升高,危及功率器件的可靠性。功率器件會面臨復(fù)雜、惡劣的工作環(huán)境,這都需要利用熱分析進(jìn)行預(yù)測并提出方案,改善器件與PCB的散熱途徑,使器件的熱量能有效地通過PCB散發(fā)出去,從而減小器件的工作溫度。
在器件產(chǎn)品設(shè)計前期,需要對器件的散熱情況進(jìn)行熱分析,F(xiàn)lotherm是當(dāng)前最為流行的電子設(shè)備散熱仿真分析軟件[6],由英國Flomerics軟件公司開發(fā),在系統(tǒng)級的熱仿真中擁有固態(tài)技術(shù)協(xié)會(JEDEC)組織唯一認(rèn)證的熱模型庫Flopack,以及與各種軟件的數(shù)據(jù)接口,可方便地進(jìn)行電子設(shè)備的建模,提供產(chǎn)品開發(fā)的前熱仿真,在軟件中可以對原理圖中的功耗進(jìn)行建模分析,了解此方案是否會出現(xiàn)溫度過高的問題,及時修改設(shè)計方案,提高產(chǎn)品成功率。該軟件的應(yīng)用縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期并降低了研發(fā)成本。本文采用該軟件進(jìn)行IGCT驅(qū)動板的熱分析。圖1為基于該軟件的熱仿真流程[7]。
圖1 熱仿真流程Fig.1 Thermal simulation process
PCB設(shè)計主要指版圖設(shè)計,是以電路原理圖為依據(jù),實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計者所需要的功能,需要考慮外部連接的布局。IGCT驅(qū)動電路的原理圖分為電源部分、開通電路、關(guān)斷電路、邏輯控制電路、狀態(tài)檢測電路[8]。本文以ABB公司給出的5SHX08F4510型[9]4500V/1100A IGCT的參數(shù)為設(shè)計指標(biāo),根據(jù)驅(qū)動電路原理圖,進(jìn)行PCB整體設(shè)計。
在PCB設(shè)計中先對重要電路的布局布線進(jìn)行設(shè)計,以此來決定最終的設(shè)計方案。對于IGCT而言,關(guān)斷電路是其門極驅(qū)動單元的主要組成部分,先完成關(guān)斷電路部分的設(shè)計,使其寄生電感控制在允許的范圍內(nèi),以保證硬關(guān)斷的實(shí)現(xiàn),在此基礎(chǔ)上完成對整個PCB的設(shè)計。PCB的長、寬分別設(shè)計為453 mm和160 mm,圓環(huán)的內(nèi)徑與外徑分別為140 mm和150 mm。PCB按照通用型封裝的IGCT進(jìn)行布局,驅(qū)動電路位于PCB的左邊區(qū)域,GCT位于右邊區(qū)域。為了控制關(guān)斷電路的寄生電感,將其布局在GCT管相鄰的位置以減小由于導(dǎo)線長度引起的寄生電感??紤]到GCT的門極的均勻?qū)按蠊?,需要對GCT的門極周圍整片區(qū)域鋪銅,如圖2中黃色區(qū)域所示。GCT與PCB壓接在一起,其接觸的部分的銅層裸露在外面,形狀是一個較大的圓環(huán),如圖2中紅色區(qū)域所示。
圖2 IGCT 的總體布局Fig.2 General layout of IGCT
根據(jù)PCB的一般布局規(guī)則,并結(jié)合IGCT自身特點(diǎn),最終IGCT驅(qū)動電路板的布局如圖3所示。電路板是按照先大后小,先易后難的原則進(jìn)行布局,也就是將電路中最核心、重要的部分先進(jìn)行布局。本文將IGCT設(shè)計為通用型封裝,先確定GCT門-陰極接觸面的位置,然后對關(guān)斷電路進(jìn)行布局,由16個并聯(lián)的MOS管組成的關(guān)斷電路應(yīng)該放置在離門極最近的位置,然后對與電路板結(jié)構(gòu)關(guān)系密切的器件進(jìn)行布置,比如電源插座、開關(guān)、指示燈等。在IGCT電路板中,將電源插座放置在電路板邊沿,以便于給電路板供電,而不會誤觸到其他帶電器件。電源插座位置確定后,按照電源流向順序?qū)⒆儔浩鳌⒄鳂?、濾波器等依次放置在此位置??紤]到板子散熱和減小寄生電感的因素采用四層電路板的疊層結(jié)構(gòu),電路板在門極區(qū)域的第一層通鋪銅皮,MOS管到門極之間的走線都在第一層完成。將邏輯信號層和電源層走在第一層和最底層,中間是GCT門極控制信號和地層,并且保證整板的信號層有完整的參考平面。這樣布線的優(yōu)點(diǎn)是可以減小電源內(nèi)阻和整板回路的寄生電感,并且電源層走在表層,有利于整板的散熱。
圖3 驅(qū)動電路板整體布線Fig.3 Layout and wiring of drive circuitboard
Flotherm的模型庫中有幾何建模導(dǎo)入工具,將PCB生成的bdf和ldf文件導(dǎo)入Flotherm中,建立PCB 和元器件的模型。為提高計算效率,在導(dǎo)入過程中忽略損耗較小的輔助電路元件(如電阻、電容和電感等)。驅(qū)動電路導(dǎo)入后的幾何模型如圖4 所示。模型中空白的位置是GCT器件。采用自主設(shè)計研發(fā)的4500V/1100AIGCT,該電路板分為4層,然后將PCB中帶有布線和過孔信息DXF文件導(dǎo)入相應(yīng)的布線層,建立PCB 的詳細(xì)模型。
圖4 驅(qū)動電路板的幾何模型Fig.4 Geometric model of drive circuit board
IGCT驅(qū)動板中所用的器件,多用殼溫來判斷散熱是否滿足要求,只要其宏觀導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置合理,簡化模型可以達(dá)到仿真精度。所以,對電路板級的散熱分析,用簡化塊模型就可以滿足要求。使用Flotherm軟件的熱模型庫Flopack中的簡化模型,該模型采用一個矩形塊代替器件,通過設(shè)定合理的導(dǎo)熱系數(shù)值,可以較為準(zhǔn)確地描述器件的散熱屬性,并且能夠在保證仿真精度的前提下,有效地減少模型網(wǎng)格數(shù)量,顯著提高計算效率。簡化塊模型的溫度分布如圖5所示。
圖5 簡化塊模型的溫度分布Fig.5 Temperature distribution of simplified model
根據(jù)上面兩節(jié)分別對驅(qū)動電路板和器件在Flotherm軟件中建立模型,電路板模型選用精確模型,器件選用簡化模型,其器件對應(yīng)的型號見表1。設(shè)定銅層厚度為1.0 oz,環(huán)境溫度為25 ℃。電路板工作時,在自然對流的情況下,其表面的空氣會高于25 ℃。為了仿真的準(zhǔn)確性,電路板反重力方向的求解域設(shè)為4 cm,重力方向的求解域設(shè)為2 cm。然后對驅(qū)動電路板進(jìn)行仿真,其溫度分布如圖6所示。通過仿真,電路板上的U7的殼溫達(dá)到了149 ℃,U2的溫度也達(dá)到了140 ℃。這是由于器件的體積功率密度(單位體積在單位時間內(nèi)發(fā)出的熱量)決定了其溫度,雖然U7的損耗僅為0.24 W,但是其自身的體積非常小,發(fā)熱密度很大,所以溫度高。由于MOSFET周圍走線采用大片鋪銅,且第三層與底層都是通鋪銅皮作為模擬地,這樣使得此區(qū)域的熱量可以及時傳遞出去,避免了過高的溫升。由于器件的安全工作溫度應(yīng)該保證在125 ℃以內(nèi),因此該驅(qū)動電路板還需要優(yōu)化散熱性能。
表1 驅(qū)動電路器件匯總Tab.1 Summary of driver circuit devices
圖6 驅(qū)動電路板溫度分布圖Fig.6 Temperature distribution of drive circuit board
在PCB的層數(shù)、總厚度不變的情況下,增加銅層厚度可以增加PCB的散熱能力。圖6的銅層厚度為1.0 oz,圖7是銅層厚度分別為2.0 oz和3.0 oz時器件的溫度分布。仿真結(jié)果表明銅層厚度增加后,大部分器件溫度降低,驅(qū)動電路板的一、三、四層為大面積鋪銅,有利于電路板散熱。但是,在缺少熱過孔的情況下,器件難以通過銅層將熱量傳遞出去,將單板銅厚度加大到3.0 oz時,部分器件仍舊超溫。雖然銅層厚度的增加可以提高驅(qū)動電路板的散熱性,但隨著銅層厚度的進(jìn)一步增加,其對散熱性能的影響會越來越小,且會對成本和單板制造工藝帶來新的問題。經(jīng)過綜合考慮,銅層厚度選為2.5 oz。IGCT 驅(qū)動電路板的散熱仍需要繼續(xù)優(yōu)化。
圖7 不同銅層厚度下單板器件溫度分布Fig.7 Temperature distribution of PCB with different thickness of copper layer
GCT管芯的功耗比電路板上器件的功耗至少高出一個數(shù)量級,當(dāng)GCT安裝在PCB上后,GCT的功耗會影響驅(qū)動電路的溫度分布,有必要分析GCT管對整個PCB散熱情況的影響。以ABB公司的4500V5SHX08F4510型IGCT[9]為參考,開關(guān)頻率為100 Hz,GCT功耗為1 393.52 W。根據(jù)GCT的封裝結(jié)構(gòu),選取模型的半徑為7.5 cm,高度為2 cm。如果不加任何外部散熱措施,僅依靠自然散熱,無法滿足其散熱需求。GCT工作時必須采用額外的散熱措施,加裝強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器,增大散熱面積以提高器件散熱能力。在IGCT單板中,環(huán)境溫度設(shè)為25 ℃,若要求將GCT溫度控制在約100 ℃時,空氣極限溫升約75 ℃。但空氣與GCT 器件之間間隔有散熱器,且空氣與散熱器之間也不可能達(dá)到溫度平衡[10]。根據(jù)安全規(guī)范要求,空氣溫度一般不能超過70 ℃,因此空氣溫升極限ΔT據(jù)式(1)計算結(jié)果設(shè)定為45 ℃[11],當(dāng)IGCT運(yùn)行時器件發(fā)熱的功率可由公式(2)計算得出。所需風(fēng)量為58.7 CFM。實(shí)際風(fēng)扇選型中,通常采用計算風(fēng)量乘以1.5~2的系數(shù)作為應(yīng)當(dāng)選擇的風(fēng)扇的最大風(fēng)量,最終確定風(fēng)量為88 CFM以上。在Flotherm庫中風(fēng)扇的型號,選SX1202512H12025風(fēng)機(jī),風(fēng)量約101.8 CFM,模型如圖8所示。
圖8 加裝散熱器的模型Fig.8 Model of radiator
ΔT=Tmax-Ta=70 ℃-25 ℃=45 ℃,
(1)
P=Q×ΔT×ρ×CP。
(2)
式(1)中,Tmax表示安全規(guī)范要求的空氣質(zhì)量最高允許溫度,Ta表示環(huán)境溫度。式(2)中,P為器件發(fā)熱功率,Q為所需風(fēng)量,△T為空氣最高允許的溫升,ρ為空氣密度,CP為空氣比熱容。
利用Flotherm軟件對加裝強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器的模型進(jìn)行仿真,如圖9所示。GCT上添加適合尺寸的散熱器和風(fēng)扇后,溫度可以控制在98.9 ℃以內(nèi),沒有超過其最高溫度限制。加裝了風(fēng)扇,風(fēng)扇吹出的風(fēng)從散熱齒間向兩側(cè)擴(kuò)展,極大地擾動了原本僅靠自然對流散熱的其他器件上方空氣的流動,非常顯著地增強(qiáng)了其散熱效率,使得板上芯片的溫度都得以大幅下降,原本溫度處于臨界的U7芯片,溫度下降到105 ℃,滿足了驅(qū)動電路散熱要求。
圖9 加裝風(fēng)扇之后的平面溫度分布Fig.9 Plane temperature distribution of PCB after installation of fan
(1)根據(jù)4500V/1100A IGCT的工作特性和電路原理,設(shè)計出一套完整的PCB版圖。
(2)利用Flotherm軟件對PCB進(jìn)行熱分析,建立散熱模型,完成IGCT整體熱仿真,提出了外加強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器的方案,最終達(dá)到驅(qū)動電路的散熱要求,保證整個IGCT可靠工作。
(3)PCB散熱分析在IGCT樣品生產(chǎn)之前進(jìn)行,提出可行方案,這樣大大提高IGCT樣品的成功率,加快樣品市場化步伐,為IGCT設(shè)計提供理論參考。