關于建模問題的討論

 

    利用軟件做仿真分析，是熱設計一個重要手段，而建立模型是仿真繞不開的重要一環。現在的商業軟件，無論Flotherm還是ICEPAK，都提供了越來越豐富的建模元素，以適應越來越多樣的建模需求。例如，近年來，相變材料用于溫控的研究越來越多，Flotherm V12.0版本開始了引入了相變材料的設置。只要激活對應選項，按照材料的參數輸入即可。

                                             

熟練掌握這些建模的元素，會大大提高個人建模的靈活性，譬如，對于一個封裝器件來講，可供選擇的建模方式就有很多種。不過話說回來，好的建模方法，需要工程師有較強的，對工程問題、器件特性有很強的理解，不然的話，模型的失真也會比較嚴重的。

前不久，中國熱設計網QQ群（319322744）中有人就遇到了建模問題。他在其他的機構處買了FloTHERM的視頻，其中針對IGBT的建模，視頻教程說：因為IGBT的銅基片賦值了面熱阻了，導熱材料需要把導熱系數改為1000 W/mK，不然會有熱阻疊加，影響計算結果。而他糾結于究竟是將IGBT中的哪個熱阻換算為面熱阻賦值給銅基片。不知道是視頻的作者賣完視頻就找不到人還是對問題敷衍了事，這位朋友一直非常困惑，只好來熱設計網群求救。從他的截圖中，可以看到，材料的導熱系數類型設置為Constant，而數值被設為1000 W/mK。

電力電子、新能源汽車等產品中，IGBT是個常用的器件，從熱設計角度來講，也是非常復雜的器件。即使是TO247封裝的小IGBT器件，也要至少包含IGBT和Diode兩種芯片。而PIM模塊，更是包含了IGBT、Diode，整流，制動IGBT和制動Diode等芯片，每種芯片都有自己的熱阻數值，各不相同。銅基片底面無論用哪一個熱阻換算成面熱阻來等效，都會對其他芯片的熱阻值造成巨大的誤差，后面會有詳細的分析。

 

其次，IGBT的結構中，導熱系數最強的是純銅的基片，約為380W/mK，絕緣層的陶瓷，導熱系數僅有20 W/mK左右，這種情況下，將芯片至底殼之間的材料，設置成1000 W/mK這種超高的導熱介質，會增強熱量在水平方向的傳導，從而使得計算的溫度大幅度降低。對熱設計工程師來講，如果大的誤差不可避免，我們希望仿真的數值高于實測值，這樣，至少散熱性能是可靠的。而上述的建模方案正好相反，IGBT容易在樣機測試中過溫，甚至炸機，這對項目來說是災難性的。

此外在瞬態計算時，這種建模方法會引起更大的誤差。

另外，也有人被建議用雙熱阻模型建模，這就更加離譜了，雙熱阻模型，根本就不適用于這種包含了多個類型芯片的器件。

Johnson接觸到的IGBT的建模方法，前后出現過多個版本。但由于IGBT結構的復雜性，目前依然很難通過仿真的手段，直接精準的獲得各個芯片溫度。

按照廠家的資料，可以看出，IGBT和Diode的熱阻是以四層結構呈現的，而且，這兩種芯片，四層熱阻數值都不相同，這種條件下，用一個高導熱的金屬板，附加一個面熱阻，這個熱阻又怎么能同時代表兩組芯片呢？

按照廠家的推薦，每種芯片的熱路圖（Foster模型）表現為以下形式。值得提醒的是，IGBT和Diode兩種芯片的，結到殼之間的熱路是并聯的，公共節點是Tc。

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目前，主流的建模方式，依舊是參照分析IGBT的主要散熱路徑，按照IGBT特有的結構層次建模，仿真的精度還是可以保證的。當然，也有人嘗試將IGBT的瞬態阻抗建立仿真模型，路還有很長。

受限于篇幅，IGBT的討論暫時進行到這里。后繼還會有相應的文章推出，敬請關注。

對于各個類型的器件建模，一定要抓住其主要的散熱通路，不可過度簡化，偏離真實的熱路圖，仿真的誤差就變得不可控了。

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