关于建模问题的讨论

 

    利用软件做仿真分析，是热设计一个重要手段，而建立模型是仿真绕不开的重要一环。现在的商业软件，无论Flotherm还是ICEPAK，都提供了越来越丰富的建模元素，以适应越来越多样的建模需求。例如，近年来，相变材料用于温控的研究越来越多，Flotherm V12.0版本开始了引入了相变材料的设置。只要激活对应选项，按照材料的参数输入即可。

                                             

熟练掌握这些建模的元素，会大大提高个人建模的灵活性，譬如，对于一个封装器件来讲，可供选择的建模方式就有很多种。不过话说回来，好的建模方法，需要工程师有较强的，对工程问题、器件特性有很强的理解，不然的话，模型的失真也会比较严重的。

前不久，中国热设计网QQ群（319322744）中有人就遇到了建模问题。他在其他的机构处买了FloTHERM的视频，其中针对IGBT的建模，视频教程说：因为IGBT的铜基片赋值了面热阻了，导热材料需要把导热系数改为1000 W/mK，不然会有热阻叠加，影响计算结果。而他纠结于究竟是将IGBT中的哪个热阻换算为面热阻赋值给铜基片。不知道是视频的作者卖完视频就找不到人还是对问题敷衍了事，这位朋友一直非常困惑，只好来热设计网群求救。从他的截图中，可以看到，材料的导热系数类型设置为Constant，而数值被设为1000 W/mK。

电力电子、新能源汽车等产品中，IGBT是个常用的器件，从热设计角度来讲，也是非常复杂的器件。即使是TO247封装的小IGBT器件，也要至少包含IGBT和Diode两种芯片。而PIM模块，更是包含了IGBT、Diode，整流，制动IGBT和制动Diode等芯片，每种芯片都有自己的热阻数值，各不相同。铜基片底面无论用哪一个热阻换算成面热阻来等效，都会对其他芯片的热阻值造成巨大的误差，后面会有详细的分析。

 

其次，IGBT的结构中，导热系数最强的是纯铜的基片，约为380W/mK，绝缘层的陶瓷，导热系数仅有20 W/mK左右，这种情况下，将芯片至底壳之间的材料，设置成1000 W/mK这种超高的导热介质，会增强热量在水平方向的传导，从而使得计算的温度大幅度降低。对热设计工程师来讲，如果大的误差不可避免，我们希望仿真的数值高于实测值，这样，至少散热性能是可靠的。而上述的建模方案正好相反，IGBT容易在样机测试中过温，甚至炸机，这对项目来说是灾难性的。

此外在瞬态计算时，这种建模方法会引起更大的误差。

另外，也有人被建议用双热阻模型建模，这就更加离谱了，双热阻模型，根本就不适用于这种包含了多个类型芯片的器件。

Johnson接触到的IGBT的建模方法，前后出现过多个版本。但由于IGBT结构的复杂性，目前依然很难通过仿真的手段，直接精准的获得各个芯片温度。

按照厂家的资料，可以看出，IGBT和Diode的热阻是以四层结构呈现的，而且，这两种芯片，四层热阻数值都不相同，这种条件下，用一个高导热的金属板，附加一个面热阻，这个热阻又怎么能同时代表两组芯片呢？

按照厂家的推荐，每种芯片的热路图（Foster模型）表现为以下形式。值得提醒的是，IGBT和Diode两种芯片的，结到壳之间的热路是并联的，公共节点是Tc。

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目前，主流的建模方式，依旧是参照分析IGBT的主要散热路径，按照IGBT特有的结构层次建模，仿真的精度还是可以保证的。当然，也有人尝试将IGBT的瞬态阻抗建立仿真模型，路还有很长。

受限于篇幅，IGBT的讨论暂时进行到这里。后继还会有相应的文章推出，敬请关注。

对于各个类型的器件建模，一定要抓住其主要的散热通路，不可过度简化，偏离真实的热路图，仿真的误差就变得不可控了。

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