电动汽车（EV）的兴起和普及对动力电子系统提出了更高的要求，作为核心元件之一的绝缘栅双极晶体管（IGBT）在电动汽车中扮演了至关重要的角色。IGBT不仅需要提供高效的电能转换，还要在恶劣的工作环境中保持可靠性。本文将探讨IGBT结温波动的计算方法，并结合其在电动汽车中的可靠性设计、仿真与验证。
IGBT结温波动计算
IGBT结温的定义
结温（Junction Temperature，Tj）是指半导体器件内部晶体管结点的温度。对于IGBT来说，结温是其性能和可靠性的关键参数。过高的结温会导致IGBT的过早失效，因此准确计算和控制IGBT的结温是设计过程中至关重要的一环。
结温计算公式
结温波动的影响因素
功率循环：IGBT在工作过程中频繁的功率循环会导致结温波动，这种波动对IGBT的热疲劳寿命有显著影响。
环境温度变化：外界环境温度的变化直接影响IGBT的结温波动。
散热条件：散热器性能、冷却液流量等散热条件的变化也会导致结温波动。
结温波动计算实例
假设某电动汽车在不同的驾驶条件下，IGBT的功耗变化如表1所示。我们通过仿真软件对不同工况下的结温进行计算，结果如图1所示。
表1：不同驾驶条件下IGBT功耗
图1：不同工况下的IGBT结温波动仿真结果
通过对仿真结果的分析，可以看出在高速驾驶工况下，IGBT结温波动最大，这对于IGBT的可靠性提出了更高的要求。
IGBT可靠性设计
热管理设计
热界面材料（TIM）：选择导热性能优良的热界面材料，降低结到壳的热阻。
散热器设计：优化散热器的结构和材料，提高散热效率。
冷却系统：设计高效的液冷或风冷系统，确保IGBT在各种工况下均能有效散热。
电气应力管理
电压应力：通过优化电路设计，降低IGBT承受的电压应力。
电流应力：选择合适的IGBT模块，避免过大的电流应力。
机械应力管理
封装材料：选择机械性能稳定的封装材料，减少因温度循环引起的机械应力。
封装结构：优化封装结构，均匀分布机械应力。
IGBT仿真与验证
仿真工具与方法
热仿真：使用有限元分析（FEA）工具对IGBT的热行为进行仿真，预测结温波动情况。
电气仿真：通过电路仿真工具分析IGBT在实际电路中的电气性能，评估电压和电流应力。
机械仿真：使用机械仿真工具评估封装材料和结构在温度循环下的应力分布。
热仿真
热仿真主要用于评估IGBT在不同工作条件下的结温波动情况。我们使用ANSYS软件对某型号IGBT进行热仿真，以评估其在各种工况下的热响应。
热仿真步骤
建立热模型：在ANSYS中建立IGBT的三维模型，包含芯片、焊料、基板和散热器等主要部件。
设置热属性：为每个部件设置材料的热属性，如导热系数、比热容和密度等。
定义边界条件：设置环境温度、散热条件以及IGBT的功耗分布。
执行仿真：运行仿真计算，得到IGBT在不同工况下的结温分布。
热仿真结果
通过仿真计算，我们得到不同工况下的结温分布图，如图2所示。在市区驾驶工况下，结温最高达到125°C，而在高速驾驶工况下，结温最高可达150°C。通过分析这些结果，我们可以识别出哪些工况下结温波动最大，并针对性地进行散热设计优化。
电气仿真
电气仿真主要用于分析IGBT在实际电路中的电气性能，评估其电压和电流应力。我们使用PSIM软件对IGBT在电动汽车逆变器电路中的工作状态进行仿真。
电气仿真步骤
建立电路模型：在PSIM中建立电动汽车逆变器的电路模型，包含IGBT模块、控制电路和负载等。
设置电气参数：为每个元件设置电气参数，如电源电压、开关频率和负载特性等。
定义操作条件：设置不同的操作条件，如启动、加速和制动等。
执行仿真：运行仿真计算，得到IGBT在不同操作条件下的电压和电流波形。
电气仿真结果
仿真结果显示在启动瞬间，IGBT承受的电压应力最大，峰值电压达到800V；在加速工况下，电流应力最大，峰值电流达到400A。通过分析这些结果，我们可以优化电路设计，降低IGBT的电气应力，提高其可靠性。
机械仿真
机械仿真用于评估IGBT封装材料和结构在温度循环下的应力分布，预测其机械可靠性。我们使用ABAQUS软件对IGBT进行机械仿真。
机械仿真步骤
建立机械模型：在ABAQUS中建立IGBT封装的三维模型，包含芯片、焊料、基板和引线等部件。
设置材料属性：为每个部件设置机械属性，如弹性模量、热膨胀系数和屈服强度等。
定义载荷和边界条件：设置温度循环载荷，模拟IGBT在实际工作中的温度变化。
执行仿真：运行仿真计算，得到温度循环下的应力分布。
机械仿真结果
仿真结果如图4所示，显示在温度循环过程中，焊料层的应力集中最为明显，易导致焊点开裂。通过分析这些结果，我们可以优化封装结构和材料选择，减小应力集中，提高IGBT的机械可靠性。
验证方法
功率循环试验：通过功率循环试验模拟IGBT在实际工况下的工作环境，评估其热疲劳寿命。
热冲击试验：将IGBT暴露在快速变化的高低温环境中，测试其耐热冲击能力。
长期老化试验：在稳定温度下进行长期老化试验，评估IGBT的长期可靠性。
实验数据分析
以某电动汽车IGBT为例，我们进行了多轮功率循环试验。实验数据如图3所示，通过对数据的分析，我们可以看出在高频功率循环下，IGBT的失效模式主要为热疲劳导致的焊点开裂。
通过对电动汽车IGBT结温波动的计算、可靠性设计以及仿真与验证的详细分析，可以看出结温波动对IGBT的可靠性有着重要影响。为了保证IGBT在电动汽车中的可靠性，必须在设计阶段充分考虑结温波动因素，并通过仿真和验证手段进行优化和验证。未来随着电动汽车技术的不断发展，IGBT的可靠性设计也将面临更多挑战，需要不断探索新的技术和方法以应对这些挑战。
来源：汽车测试网
