IGBT应用手册
斯达半导体有限公司
2009/2010
目录：
?IGBT的发展历史‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐1 ?IGBT的现状‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐2 ?IGBT的结构简介‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐3 ?IGBT模块简介‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐4 ?主要厂商的产品‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 5 9Infineon的主要产品‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐6 9Semikron的主要产品‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐7 9Mitsubishi的主要产品‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 8 9STARPOWER的主要产品‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐9 ?IGBT的应用选型‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐10 ?STARPOWR产品与主要厂家的替换‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐11 ?IGBT模块内部结构和热阻网络‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐12 ?IGBT模块材料选择对散热性能的影响‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐13 ?选择合适的散热器‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐14 ?模块散热性能评估和仿真‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐15 ?结束语‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐16
?IGBT的发展历史
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种集成了功率双极型晶体管(Bipolar Transistor)和功率MOSFET的优点的新型功率器件，IGBT具有BJT的电导调制特性，降低了导通电阻，大大提高了器件的耐压等级，同时IGBT又具有MOSFET的高输入阻抗特性，可以实现电压控制，极大地简化了控制电路的设计，有利于这种器件的快速普及。
IGBT的概念是在70年代后期提出来的，但是刚开始的时候，由于IGBT结构中有PNPN四层结构，构成了一个寄生的晶闸管，容易产生闩锁现像(Latch‐Up)，到80年代初，通过将源区n+和p阱通过源极金属层短路，基本上消除了闩锁现像，才使得IGBT的实用化成为可能，这一关键性的突破标志着 IGBT的诞生。
在早期阶段，多家公司参与了IGBT的开发，有通用电气, 摩托罗拉和西门子等，对这同一器件每家公司都有自己的名称，如：IGR，GEMFET，BMT等，最后由于西门子公司的IGBT产品发展迅猛，性能优良，西门子的命名IGBT得到了市场的高度认同，IGBT才成为大家一致认可的名称。
如下图所示，IGBT目前已经完全取代功率晶体管，成为可中频中，高压应用领域的核心功率器件，其典型工作频率从1kHz~100kHz，而处理的功率范围高达兆瓦级，覆盖了绝大部分工业传动控制领域，是现代工业电气化技术的核心之一。
IGBT的主要应用领域为电机控制，开关电源，逆变焊机，感应加热以及风力发电，混合动力汽车，电动汽车，轨道交通，高压直流输电等等。
IGBT的主要应用领域
?IGBT的现状
在中，高功率（从几千瓦到几兆瓦）应用中，绝缘栅双极型晶体管是第一个应用了MOS技术的器件。在现代的高压直流输电（HVDC）中，IGBT已被用在几兆瓦的功率水平，功率等级的进一步提升正在开发中。
IGBT在20世纪80年代初被投入市场，早期的器件有强度问题而且并联效果不好。80年代末，这些问题得到逐步解决，IGBT开始得到广泛的认可。在接下来的10年中，IGBT技术性能得到逐步改善，使得器件的使用十分广泛：IGBT 的额定电压从1990年的1200V增加到2000年的6500V，损耗大大降低，最大开关功率密度增长了3~4倍。
目前，在1200V~6500V电压范围内，IGBT已经成为应用最为广泛的器件。开始占据一些传统由GTO统治的应用领域，如：轨道交通，电力系统无功补偿，大功率变流装置等。
IGBT的成功归结于以下5个很好的特性：
1.高输入阻抗，使得门极驱动电路小而且便宜；
2.不需要缓冲电路，开关特性可以通过驱动特性加以控制；
3.易测量，电流等级与器件大小成比例关系；
4.在短时间内可以承受一定的短路电流；
5.在导通损耗和开关损耗之间进行折中，使得IGBT在很宽的开关频率范围
内可以优化运行；
?IGBT的结构
上图所示为一DMOS (Double Diffusion MOS) NPT (Non‐Punch Through) IGBT
的结构，每个IGBT芯片由上万个这种胞元组成，芯片上面的发射极金属层(Emitter Metal)覆盖几乎整个芯片表面，将所有胞元的发射极引出，而栅极多晶硅(Gate Polysilicon)在发射极金属层下走线，最后引出到芯片表面的一角。每个IGBT芯片有三个电极，发射极和栅极在芯片的上表面，而集电极位于芯片的背面。
一个典型的1600V芯片的厚度约为300um，其上部结构约占5um厚，而每一个IGBT胞元的宽度约为15um。
上图所示为一NPT(Non‐Punch Through)结构的IGBT，芯片的设计要保证在IGBT关断时，其n‐区耗尽区能够承受全部关断电压。另外一种类型的IGBT是PT(Punch Through)IGBT，这种类型的IGBT的n‐层较薄，设计使得在IGBT关断时，耗尽区穿透(Punch Through) n‐层, 进入下面另外一层称为缓冲层(Buffer Layer)的n+层。PT结构的这种设计可以使得n‐层更薄，这样可以得到更小的正向导通压降，但是牺牲另外一些性能，例如具有更慢的开关速度和显著的拖尾电流。
?IGBT模块简介
由于功率芯片工艺条件的限制，主要是栅氧层缺陷，目前单个IGBT芯片很少有面积超过2~3cm2的，而电流等级很少有超过150A的，但是很多工业应用场合需要大电流的IGBT器件，所以业界提出的解决办法是芯片的并联，通过并联若干IGBT芯片,并封装成通用的电路单元，来提供大电流的功率器件，这就是IGBT 模块的思想起源。因为单个芯片的电流等级越大，其成品率越低，而通过将若干芯片通过模块的形式并联起来，极大地拓宽了IGBT的应用领域和范围。
IGBT模块的主要特征是：(a) 若干并联的IGBT芯片封装在一个塑料外壳内部；(b) 灌注硅凝胶 (Silicone Gel) 的非气密性封装；(c) 通过铝线键合的形式实现不同芯片之间的电气连接；
在很多应用场合中，需要将续流二极管(Free Wheeling Diode) 集成到模块内部去，所以标准的IGBT模块中，每一个IGBT单元都集成有反并联续流二极管。另外，功率器件也在向着智能化的方向发展，业界提出了IPM (Intelligent Power Module)和SPM (Smart Power Module) 的概念，在目前阶段，主要是将驱动和一些保护电路（过流保护，短路保护，欠压过温保护等），以后的发展方向是将控制部分也集成进去，这样，就需要处理好功率部分的高温对逻辑部分的影响，功率部分高频辐射对逻辑部分的干扰，以及功率部分高压和逻辑部分低压的隔离问题等等。
目前，在小功率部分随着HVIC的发展和不断进步，IPM已经在家用电器和小功率工业控制中得到了广泛应用，在大功率应用场合还主要是以IGBT模块为
主，由用户自己根据实际应用情况来设计控制，驱动和保护部分，IGBT模块的主要供应商有Infineon, Semikron以及Mitsubishi,Fuji等。国内在功率器件方面起步较晚，目前有嘉兴斯达半导体(STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD.)提供全部系列的产品，和国外产品完全兼容。
IGBT模块的主要技术涉及到以下几个方面：
1.绝缘衬底技术：目前使用的比较多的是Al2O3衬底，DCB (Direct Copper
Bonding) 技术得到广泛运用，目前世界上只有德国和日本少数厂家提供
这种产品，DCB为中间Al2O3陶瓷层，在陶瓷的上下表面各烧结有一层高
导无氧铜，这种衬底结构可以保证模块内部的高压对散热器的绝缘安全，同时，因为陶瓷衬底具有很好的散热性能，能够将功率器件工作时候发
出的热量传出去，能够有效降低模块内部的温度，目前在功率模块内使
用的绝缘衬底较多的使用的是Al2O3,在一些发热量更大或者要求有更好
散热性能的应用场合AlN得到广泛应用，但是，Al2O3相对于AlN具有价
格优势。
IGBT模块的剖面结构
2.焊接技术：在功率模块的生产中要求将功率芯片焊接到绝缘衬底上去，
然后将绝缘衬底焊接到铜底板上去，因为每一种材料具有不同的CTE
(Coefficient of Thermal Expansion),在模块工作时的高低温循环冲击下，各
层之间会产生应力，所以焊接材料的选择和焊接工艺的严格控制十分关
键，另外，因为是大面积焊接，而热量是通过焊接面传导到散热器上去
的，所以焊接面要求保持焊接的气孔率满足严格的要求，这也是难点之
一。
经过功率循环之后焊接层的焊接疲劳变化
3.芯片技术：目前世界上主要的IGBT芯片供应商有Infineon, ABB, Mitsubishi,
Fuji和IR，不同的公司的芯片技术已经经历了很多代的发展，例如：
Infineon最新一代的芯片为Trench4，为内部第4代技术, 而Mitsubishi
最新一代为CSTBT技术，为内部第5代技术，大体上各家公司的芯片内
部结构经历了从PT结构到NPT结构再到Trench结构，现在又有一些新
的技术，像：Field Stop, SPT/SPT+以及CSTBT等，这些新技术都是在集电
极侧对器件的特性进行优化，而芯片的栅极结构大体上只有两种结构，
为Planar和Trench技术。芯片技术的发展直接推动了模块技术的发展，
包括模块的热特性，可靠性等。
4.测试技术：模块的电流电压等级都很大，对这种大功率器件的各项参数
提供准确的测量值，对生产厂家是一个挑战。IGBT模块在出厂之前需要
测试静态参数，动态参数以及热参数，为用户提供详实的数据，供用户
设计使用。
5.可靠性问题：因为IGBT模块在一些应用场合有很高的可靠性要求，例如：
轨道交通，风力发电，以及国防领域等，所以对模块的可靠性和工作寿
命进行评估是一个重要的方面。同时可以根据评估结果对材料和工艺进
行改进，针对不同应用领域选择不同的设计方案。
?主要厂商的产品
9Infineon的主要产品
Infineon的IGBT芯片技术按照内部标准，目前经历了4代技术，以1200V 系列为例，其特性概括如下：
目前在市场上看到的1200V模块主要有第二代的DLC,DN2和KS4系列，以及第三代的E3和T3系列，早期的第一代产品在市场上已经很难找到，为
PT型结构。每一代产品，Infineon都会根据当时工艺条件的限制，将芯片性
能优化于不同的应用场合，例如：第二代NPT系列，就有优化于低频
（1kHz~8kHz）应用的DLC系列，其主要特征是导通压降低，而开关损耗高，
故适合于低频应用，主要应用领域为变频器行业；有优化于中频(4kHz~15kHz) 应用的DN2系列，其主要特征是开关损耗和导通损耗居中，适合于逆变电焊
机行业和一些开关电源行业；另外还有优化于高频（>15kHz）应用的KS4系
列，其主要应用场合为感应加热等行业；同样目前在市场上用量最大的第三
代IGBT技术，采用Trench + Field Stop结构，第三代有两个系列，分别为适
合于低频应用的E3系列和适合于中频应用的T3系列。
一般而言，第二代的NPT技术相对于第三代和第四代的Trench + FS结构具有更为优异的坚固性(Ruggedness)，抗冲击性能更好；第三代芯片面积比
第二代更小，所以散热性能略为逊色，但是具有更低的损耗，同时，因为芯
片面积更小，在同样的wafer上可以生产更多的芯片，这样Trench结构相对于NPT结构具有价格上的优势；第四代技术生产出来的芯片面积更小，在第三代的基础上，将芯片可工作结温提升到175C，这样可以弥补一些Trench
结构在散热性能方面的劣势，目前，Infineon的第四代IGBT还处在市场推广阶段，能否满足日益苛刻的应用要求还有待实践检验。
在模块封装方面，Econo‐II和Econo‐III是Infineon推出的第一款专门针
对IGBT的封装形式，Infineon同样提供其它标准封装的IGBT模块。
另外，Infineon的IGBT模块采用适合于工业应用的80℃额定电流标称方式，有利于模块的应用选型。
9Semikron的主要产品
Semikron在功率模块封装方面具有悠久的历史，目前IGBT功率模块就
是沿用了由Semikron提出的功率晶体管的封装形式，但是Semikron自己没
有IGBT芯片技术，其IGBT芯片是从Infineon和ABB购买的，自己只生产快恢复二极管芯片，大体上以1200V系列模块为例其渊源如下：Semikron的123系列为其标准系列，适合于中频应用，使用的芯片是Infineon的第二代NPT的DN2系列芯片；Semikeon的125系列为其快速系列，适合高频应用，采用的是Infineon的第二代NPT技术的KS4系列的芯片；而其128系列适合于低频和中频应用，采用的是ABB的SPT技术；而其126系列是采用了Infineon的第三代E3系列芯片，最近在市场上大力推广的T4系列，是采用Infineon 的第四代芯片； Semikron的芯片绝大部分系列和Infineon是相同的，但是封装成功率模块后，由于采用了不同的命名方式，所以在电流等级上面存在一些替换上的差异，比如，其125系列产品和Infineon的KS4采用同样的IGBT芯片，但是Semikron的SKM200GB125D对应于Infineon的
FF150R12KS4，所以客户选型时应该认真核对各家公司命名之间的差异。
Semikron提供业界标准封装的IGBT模块，主要是Semitrans系列，电路有1单元，2单元，但是没有与Econo‐II和Econo‐III兼容的封装，另外Semikron 拥有自己的封装技术，例如，弹簧压接（Spring Contact）技术等。
9Mitsubishi的主要产品
目前在市场上见到的Mitsubishi的IGBT模块主要有H系列和NF系列，如下表所示，其IGBT芯片技术经历了五代的发展，最新一代是CSTBT技术，根据应用场合的不同优化了三个系列，分别是适合于低频应用的NF系列，
适合于中频应用的NFM系列和适合于高频应用的NFH系列，
其短路性能在持续改进中，同时在一些高端应用场合中，例如在混合动力汽车用IPM系列中，我们可以发现，Mitsubishi将一些检测功能（温度检测和电流检测）集成到IGBT芯片上面，使功率芯片技术朝智能化方向又迈进一大步，这样不仅可以减小测量误差，同时可以促进封装技术的发展。
Mitsubishi提供1单元，2单元，6单元标准IGBT模块，目前正开始提供和Econo‐II和Econo‐III兼容的封装，同时供应全系列的IPM模块。
?斯达半导体(STARPOWER)的主要产品
斯达半导体的主要产品包括IGBT模块和MOSFET模块，另外可以根据客户要求定制各种类型的功率模块，特别是一些国外公司不能提供的非标准功率模块，目前产品已经大量应用到低压变频器，中压大功率变频器行业，逆变焊机行业，
感应加热行业，电镀电源行业等，同时根据客户要求定制的大电流MOSFET模块已经批量应用于电动汽车行业，而取代Mitsubishi和Fairchild的家用电器用IPM 模块已经进入家用电器市场。
斯达半导体的标准IGBT模块封装形式和Infineon，Semikron和Mitsubishi的产品完全兼容，目前，根据芯片种类和应用领域的不同，产品分成低损耗系列，标准系列和高速系列，电路结构有一单元，半桥，全桥，斩波单元，三相桥，整流+制动+三相逆变模块等，应用于大功率应用，如：轨道交通，风力发电，舰船动力等领域的额定电流大于800A的模块已经在量产之中，将在不久的将来完全取代国外进口的大功率模块产品，实现完全国产。
?IGBT的应用选型
对于IGBT的一般应用设计来说，了解IGBT的一些基本设计原则是必要和有益的，现简要介绍如下：
1.V ce(sat)和E off之间的折中：
由于半导体材料特性和IGBT本身结构的限制，IGBT器件的静态损耗和动态损耗之间具有一种折中，我们可以通过增大V ce(sat)的方式，来减小E off，也可以通过增大E off的方式来减小V ce(sat),所以我们可以根据具体的工作频率，来优化
V ce(sat)和E off之间的折中，使得IGBT在该应用中的总损耗尽可能的小。
如下图所示，图中有Infineon的DLC系列，DN2系列，KS4系列和E3,T3系列等，从图中可以看出来，从早期到目前,芯片技术的进步，同一代技术对应着同一条技术曲线，在该曲线上可以选择不同的点进行优化，另外，一代比另外一代工艺的进步体现在该工艺曲线更加靠近坐标原点，如下图，在同一条工艺曲线上，KS4系列是应用于高频的而DLC系列的工作频率较低。
2.短路特性和损耗特性的折中：
IGBT的一个主要优点在于它能够在有限的时间内承受一定的短路电流，在短路时，IGBT的短路限制能力限制类负载电流的增大，该故障很容易被检测。
由于大量的功率损耗，IGBT结温迅速升高。温度的升高导致沟道迁移率的下降，因此短路电流随时间缓慢下降，目前，IGBT的短路电流最小承受时间t SC 的工业标准时间为10us。
另外，因为在短的时间内，芯片短路损耗的能量绝大部分被芯片本身所吸收，所以IGBT本身的结构设计，比如体积，厚度等，就决定了芯片的短路维持时间的大小，而芯片的结构参数如厚度等和V ce(sat)和E off直接相关，所以在芯片的短路性能和损耗特性之间也存在折中关系。
?IGBT模块的设计
9IGBT模块的热设计
模块的热设计主要是分析模块内部的芯片布局，优化内部的温度场分布，降低芯片热源之间的温度场耦合，使得模块内部的功率芯片的温度接近，这一点在有许多芯片并联的时候尤其重要，因为，不同的工作温度会显著降低在芯片并联上其它诸多努力的效果，芯片的很多参数是温度敏感的。
另外，模块的热分析有利于分析模块工作时内部的应力场分布，可以为提高模块的可靠性设计提供指导，采用在结构上的一些特殊处理，可以显著改善内部的应力分布，同时对不同备选材料的选择，可以提供指导。
还有，热设计在模块的应用设计方面可以为客户的应用设计提供指导，帮助
客户选择散热方案，在投入和效果之间选择最优的平衡。
9IGBT模块的电气设计
模块电气设计的主要考虑要素是多芯片并联时，考虑并联支路的电气支路的对称性，这样可以保证并联芯片的工作环境的一致性，可以提高并联的效果。另外，在IGBT关断时，由于功率回路电流的di/dt很大，导致关断时在寄生电感上产生很大的过冲电压V=L*(di/dt)，所以模块内部设计要求将寄生电感尽可能降低，通过如层叠母线的结构，将电流方向相反的功率端子靠近，这样可以利用反向的磁场，利用互感的作用，降低整个回路的总等效电感。
另外，在模块设计中还有一些高级议题，例如，在IGBT上表面发射极的键合铝线中电流密度分布，以及功率回路中其它地方的电流密度分布，以铝线为例，在频率较高时，通过同向电流的导体之间会产生临近效应，导致不同导体间电流的分布不均，同时导体之间会产生电磁力，对铝线根部产生拉力，影响可靠性。
?斯达半导体产品与主要厂家的替换
9斯达半导体低损耗快速系列（L Series）：斯达半导体的L
系列采用的是SPT+技术，适合于中低频应用场合，主要目标市场是变频器和逆变焊机领域，与其他厂家的替换原则如下：
厂家 产品系列
Infineon DLC系列，KE3/KT3系列，KE4系列
Semikron 128系列，126系列，T4系列
Mitsubishi H系列，NF系列，A系列
9斯达半导体标准系列(K Series):斯达半导体的K系列采用的
是世界上最新一代的NPT技术，适合于中频应用场合，主要目标市场是中频逆变焊机，UPS，开关电源等应用领域，与其他厂家的替换原则如下：
厂家 产品系列
Infineon DN2系列，KT3系列
Semikron 123系列
Mitsubishi H系列，NFM系列
9斯达半导体快速系列(U Series):斯达半导体的U系列采用的
是世界上最新一代NPT技术，适合于高频应用场合，主要目标市场为感应加热，高频逆变焊机，开关电源等应用领域，与其他厂家的替换原则如下：厂家 产品系列
Infineon KS4系列，T4系列
Semikron 125系列,T4系列
Mitsubishi NFH系列
?IGBT模块内部结构和热阻网络
9内部结构示意图
这是典型IGBT模块的内部结构示意图，部件主要包括IGBT/Diode芯片、锡膏、DBC(Direct Bonding Copper，Al2O3 or ALN, BeO, Si3N4)、基板(Cu or AlSIC, CuC)、导热硅脂、散热器等。
9热阻的概念
热阻的定义是两参考点的温差和两点之间的流过的热流量的比值。数学表达式如下：
T R P
Δ=
9 IGBT
内部热阻网络
如图所示，这是一个典型的IGBT 模块的内部等效热阻网络结构示意图；模块的热阻分别由几部分算数累加而成的：
R th ‐jc =R th ‐芯片+ R th ‐锡膏1+ R th ‐DBC + R th ‐锡膏2+ R th ‐基板
Z th ‐jc =Z th ‐芯片+ Z th ‐锡膏1+ Z th ‐DBC + Z th ‐锡膏2+ Z th ‐基板
9 模块的热阻组成和瞬态热阻的概念
IGBT 主要有两个非常重要的热阻R IGBT-jc 和R diode-jc ；分别表示IGBT 芯片和Diode
的结温到外壳之间的热阻;其中：
R diode-jc =(T diode-j -T diode-c )/P diode
R IGBT-jc =(T IGBT-j -T IGBT-c )/P IGBT
T diode-c 测试点位于基板上，Diode 芯片正下面的最高温度点；T IGBT-C 测试点位于
基板上，IGBT 芯片正下面的最高温度点。影响这两个模块的热阻的主要因数包括，芯片尺寸、DBC 厚度和材料、锡膏厚度和材料。
IGBT 模块以上给出表示的是稳态时候的温差，还有一个表示模块瞬态影响的
热阻叫热抗；来表示模块的瞬态相应，热抗可以用一系列指数之和来表示：
其中：
9 IGBT 模块功耗的计算
IGBT 模块的功耗主要由IGBT 和Diode 的功耗组成；
IGBT 的功耗:
P IGBT ‐Total =P SW +P cond
P cond =t 1/t 0(V ce(sat)*I average )
t 1+t 2=t 0
IGBT 的损耗主要由开关损耗(P SW )和导通损耗(P cond )组成；P SW 的计算基于以下
假设，开关损耗和电流存在线性关系；同时一个电流正弦半波里，可以用相应的直流产生的等效损耗来表示；这个直流值就是正弦半波的平均值。IGBT 芯片的导通损耗(P cond )由稳态电流
Diode 的功耗:
P Diode ‐Total =P Re +P cond
Re Re/1
()s D P f E πi ?
=??
P cond = t 2/t o *V F *I average
9 结温计算
IGBT 芯片的工作温度是-40℃-150℃；设计的时候要保证结温不能超过温度变化范围:
T IGBT-j =T c +P IGBT-j *R IGBT-jc
T diode-j =T c +P didoe-j *R Diode-jc
9 芯片之间的热耦合
IGBT 模块为了获得更小的尺寸，二极管和IGBT 芯片尽可能的布置的紧凑，另一方面，由于两者存在热耦合的影响，要尽量避免这种影响，当两者的距离a 小于a 的时候，必须考虑热耦合的影响，其中a：
a =
?IGBT模块材料选择对散热性能的影响
9IGBT模块的绝缘层材料选择
一般常用的绝缘材料有IMS 、DBC(AlN) 、DBC(Al2O3)等；
z DBC(AlN)
优点：出色的导热性能，导热系数190w/k·m,低CTE4.5 m/m·k，和silicon 的热膨胀系数比较接近，提高了模块的可靠性性能。
缺点：价格比较贵，介电常数相对比较低，高频漏电流会比较大；
z DBC(Al2O3)
优点：成本相对比较低，绝缘层可选择的范围比较广，从0.2‐0.63mm,适合的电压和电流的范围比较广，出色的电参数性能保障了高频率的要求。
缺点： 导热性能相对比较差，CTE相对比较大，会影响整个IGBT模块的可靠性能。
z IMS
优点：成本比较低，工艺比较成熟和简单，适合小功率IPM等应用场合。 缺点： 绝缘层的导热系数比较低，一般只有1‐2 w/k·m，限制了它在大功率密度领域的应用场合。
9基板材料
基板材料主要有铜、AlSiC等，铜的导热系数是398 w/k·m，它的优点是导热系数非常高，能大大减小水平扩散热阻，价格也相对便宜，但是最大的缺点是CTE是silicon的好几倍，影响了模块的可靠性能力。AlSiC基板的优点是CTE 和silicon比较接近，可靠性性能大大提高，缺点就是价格是铜的好几倍，导热性能只有铜的一半。
9芯片尺寸大小对热阻的影响
如图所示，分别是三种绝缘基板条件下的芯片面积和热阻的关系，一方面，热阻随芯片面积的加大而减小，原因是传热面积在增加；另一方面，随着芯片面
积和周长的比值增加，芯片内部的热流的热耦合对热阻的影响在增加，温度扩展效应在减弱;这两个相反的趋势导致了如图的曲线.
9IGBT 模块材料属性(25℃)
下表显示的是常用的IGBT模块材料的材料属性。
密度
kg/m3 导热系数
w/k·m
比热容
w/kg·k
CTE m/m·k
Al2O3 2300 25 900 7 AlN 3300 190 750 4.5 Alumium 2700 220 880 24 Silicon 2330 146 750 2.5 Copper 8900 398 380 17 AlSiC 4000 175 741 7.9 Sn63Pb37 8400 54 176 24 Sn96.5Ag3.5 7360 33 200 3.2
?选择合适的散热器
9IGBT模块的散热方式
IGBT模块的散热的部件主要是散热器和外壳，主要方式是对流和辐射，前者占了95%以上的散热量；IGBT散热器的类型主要有自然对流、强制对流、水冷散热、热管散热、微通道散热等
z自然对流
自然对流又称为消极散热，一般用于功耗小于50W的情况下的小功率的散热问题，在不使用风扇的情况下，一般需要很大的散热面积。翼片的特点是比较薄，根部比较小，材料的导热性能对散热性能影响不是很大，但是翼片之间的距离要足够的大，为了满足空气的升力和摩擦力之间很好的折中。在有些场合，把散热器进行黑化处理，可以大大增加散热器的热辐射能力，一般黑化后的散热器辐射可以占到整个散热的15%左右。
z强制对流
强制风冷需要额外的风扇，一般可以降低热阻到自然风冷的1/10 左右；强制风冷的散热器特点是：
【1】翼片相对比较的粗，为了增加热在散热器的扩散能力；
【2】翼片之间的距离相对比较的窄，和雷诺数有关
【3】有比较厚的散热底座，提高散热器扩散能力。
【4】散热器的材料对散热效率有很大的影响，使用铜比铝要提高30%以上的效率。
z风冷散热器按照制造方式和形成方法分类可以分为：
【1】冲压成型
【2】挤出成型
【3】镶嵌和插入成型
【4】浇注成型
【5】折叠鳍片
z水冷散热器
水冷散热器的优点是体积小,可以应用于特大功率的交变器，由于水的比热容(4200 w/kg·k)很大，通过相同流量的水可以带走更多的热量，所以一般用来作为热交换媒介。水冷散热器特点：
【1】散热表面和冷却介质温差比较小
【2】提高了功率，用于芯片结温更多的温度变化范围，提高了可靠性
【3】降低芯片温度，提高了芯片寿命
9散热器的选择流程
第一步：计算IGBT模块的总耗散功耗P
total
。
第二步：通过(T
c -T
a
)/ P
total
*k确定散热器的热阻(k为安全因子，0-1之间)。
第三步：选择合适的散热器(风冷的话选择散热器的制造方式，水冷的话选择散热器的尺寸)
9散热器导热脂对热阻的影响