2024年5月15日发(作者：冉白玉)
了模块内部各层单元的热阻分布，使得模块结构更加
有利于散热。同时，通过有限元方法建立了功率模块
３Ｄ有限元模型，得到了模块封装内部各结构的温度场
分布形式，并得出模块内部各热阻分布以及模块的动
态热阻抗响应。通过比较理论计算结果可知，仿真分析
对提高功率模块的热学管理，优化模块各层单元结构
的热阻，改善模块散热结构，具有一定的指导意义。
１ 热学分析
１．１ 模块结构
本文研究对象为南车研发中心研制出的牵引级
１ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ ＩＧＢＴ模块，每个模块包含６个衬板单元，
每个衬板单元又包含４个ＩＧＢＴ和２个反并联二极管。模
块结构主要由７层不同的材料成分组成，包括６个不同
接触界面，如图１（ａ）所示。
从功率模块内部结构可以看出，在模块Ｔ作过程
中ＩＧＢＴ芯片是产生热量的热源，热流从芯片开始，逐
一
竖直地流经焊层、ＤＢＣ衬板、焊层、基板，最终通过散
热器与外界发生热交换，如 １（ｂ）所示。因此，在模块
工作过程中，为了避免产生局部过热现象，需要研究模
块内部各相邻单元之间的热量传递情况，以及模块稳
态热阻抗的分布，如果热阻分布不均，将会导致模块内
部产生较大的温度梯度，从而影响最终的可靠性、
热源 芯片
焊层１
ＤＢＣｌ
衬板
ＤＢＣ２
焊层２
基板
（ａ）结构，Ｊ 意图 （ｂ）内部散热模式
冈１ １ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ ＩＧＢＴ模块的结构示意图
及内部散热模式
１．２热阻模型
对于功率电子模块来说，模块的结一壳热阻最能
反映出模块的热学特性，是一个评价器件性能及进行
应用计算方面的一个重要参数。根据稳态时的结一壳
热阻可以对模块１二作稳定后芯片的结温进行预测，确
保芯片温度不超过额定温度。一般来说，热阻尺 是导
热介质两端的温度差与通过热流功率的比值，单位为
￣Ｃ／Ｗ或Ｋ／Ｗ¨引。热阻越小，表示芯片中的热量向外界
传导得越快，模块的热性能越好。热阻的大小一般与
材料的物理属性、芯片厚度、散热面积等参数有关，与
电路中电阻的表达形式类似，表示为
ｐ一
１ ｄ
一
式中：ｙ为材料的热导率；ｄ为芯片的厚度；Ａ为热流流
过的面积，且Ａ＝ｌ×Ｗ，ｚ、Ｗ分别为芯片的长度和宽度。
另外，在模块封装中最关心的是ＩＧＢＴ芯片的结温
。
ＩＧＢＴ芯片的结温主要由器件的环境温度、器件ＰＮ
结到周围环境的热阻所决定。若在模块热阻已知的情
况下，功率半导体模块的结温则可表示为¨
．
ｈ
Ｐ＋ ；或Ｒ ｈ＝—上 （２）
厂
式中： 为模块外壳所处的环境温度；Ｐ为芯片所消耗
的功率。
式（２）表明热阻越小，在同样大小的耗散功率Ｐ
情况下，芯片结温升温越小；或者说在达到同样／一Ｚ４￣ ｅ／［ ｔ
的条件下，能够消耗的功率更大，功率模块性能也就
越好¨ 。为了从根本 解决热量耗散的问题，关键在
于得到器件内部温度场的分布，以指导器件的热设计。
以１ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ大功率模块为例，分别存在７层热阻，
从最上层的 芑：片开始：芯片热阻、Ｊ二层焊接层１热阻、
｝：层ＤＢＣＩ热阻、衬板热阻、下层ＤＢＣ２热阻、下 焊接
层２热阻、基板热阻，其表达武分别为
。
ｌ
“【ｈ．ｓｉ— ｙ
ｓ． ｓ。Ⅵ
（３）
札ｓ
￣／ＳＡ ＩＳＡＷＳＡ （４）
Ｒ Ｂｃ＝ Ｌ ｆ ５）
ＹＤＢ（：／ＤＢＣ ＷＤＢ
Ｒｆ ｈ ｌＮ＝ （６）
ｙＡＮ／ＡＮＷＡＮ
Ｄ
１ （、
“ｔｈ
．
ＳＣ一一７ ＿ 一
ｌｓ（、 （
（７）
ｓｏ
～
式中： 为材料的热导牢；ｚ、Ｗ、ｄ为各单元结构的长度、
宽度和厚度。下引脚Ｓｉ、ＳＡ、ＤＢＣ、ＡＮ、ＳＣ分别代表ｒ
芯片（Ｓｉ）、焊层（ＳｎＡｇ合金）、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ ｂｏｎｄ ｃｏｐｐｅｒ）、
陶瓷衬板（Ａ１Ｎ）、散热基板（Ａ１ＳｉＣ），下同
以上对模块热阻的分析是基ｆ传统的热阻计算 ‘
法，仅仅考虑了模块内部各单 的热阻值，忽略了各
单元之间的热耦合效应¨引。为了考虑模块内部各热阻
之间的相互关联性，并简化各单元的几何尺寸非线性
效应，采用了一种热节点模型，如 ２所示。该模型采
用等效方法把模块内部各层结构分别等效成一个节
点，这样可以简化整个模块的结构，以减少模块『大Ｊ部
热场分布的几何非线性效应。
Ｒｍ ｓ
ｌ
尺ｔｈ ｓＡ１
ｍＤＢ（＝：ｌ
Ｒ ＡＮ
ｍＤＢｃ２
Ｒｔｈ ｓＡ２
Ｒｔｈ ｓｃ
口『ｗ
同２ ＩＧＢＴ功牢模块的热节点模，
假设热源来自芯片内部，根据节点网络模 ，埘功
第１期 刘国友，吴义伯，徐凝华，窦泽春：牵引级ｌ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ ＩＧＢＴ功率模块的热学设计与仿真
率模块内部各单元的热阻进行二阶热网络模型处理¨ ，
１
一
ｄｓＡ２
＋
ｌ ４ ｃ （１３）
可得到优化后的热阻分布，如图３所示，且可以得到模
块内部各单元之问的等效热阻表达式：
Ｒｓ ｓＡｌ ＲｓＡｌ，ＤＢｃ１ ＲＤＢｃｌ，＾Ｎ ＾Ｎ，ＤＢｃ２ ＲＤＢｃ２，ｓＡ２ ＲｓＡ２ｍＰ ＲＢＰ
去焘＋ １ ｄｓＡ Ｉ
Ｒ ｓ…ｃｔ： １ ｄＳＡＩ
＋
（８）
Ｐ
１ ｄ ＤＢＣ Ｉ
（９）
图３ ＩＧＢＴ模块的热阻等效电路模型
１ ｄ ＡＮ Ｒ。 ｗ １ ｄ ＤＢＣ Ｉ
＋
（１。）
ｄ ＤＢＣ ２
１．３热阻分布
１
巾 ＝
ｄ ＡＮ
＋
ｌ
对于图１所示的１ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ ＩＧＢＴ功率模块而言，
（１１） ｙ
ＡＮ ｚ ＡＮ１ Ｎ ＤＢｃ２ Ｚ ＤＢｃ２Ⅵ Ｂｃ
其内部各单元的几何尺寸及相应的材料属性如表１所
示Ｉ 。然后把式（８）～式（１ ３）中一系列公式导人到
ＥＸＣＥＬ，利用ＳＯＬＶＥＲ＿Ｔ．具可以计算出基于热节点等效
电路模型的模块内部各热阻分布，如表２所示。
［
…ｓ ‘
ｄ ＤＢＣ ２
＋瓦１ ｄＳＡ２
ｓＡ２ ｓＡ２１ Ａ２
（１２）
ＤＢｃ２ ｚ ＤＢｃ２ ¨ ＤＢｃ２
表１ １ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ Ｉ ＧＢＴ模块的典型几何尺寸及其材料属性
４６＿３％，焊层１与ＤＢＣ铜之间的热阻次之，约占３３．１％，其
参数Ｉ芯片ｌ焊层１『ＤＢＣ１ Ｉ衬板Ｉ ＤＢＣ２ ｌ焊层２ Ｉ 基板
余各层热阻分别在３％～７％之间，其各单元热阻分布如
图４所示。这主要是因为在散热通道中，芯片的有效散
Ｉ！ ：！Ｊ ： Ｉ ： ｌ ： ｌ ： ｌ ： Ｊ ．：！：
ｅ
ｌＪ ２３．５ Ｉ ｌ６．８２ 芈Ｃｌ １．４７ ｌ１－３８ Ｉ １－３３ １ ３．６９ Ｉ ２．５９
热面积约为衬板面积的１／１５，导致芯片热阻在总热阻
中所占比重较大。
２仿真分析
２．１ 仿真模型
本节主要利用有限元分析方法对ＩＧＢＴ功率模块的
内部传热进行仿真分析。为了突出重点并节约计算机
资源，减少计算时问，将实际模块的１／４作为热分析对
象，建立了稳态传热模型，如图５所示。
在仿真分析过程中，对所建ＩＧＢＴ的有限元模型做
出如下假设：①稳态开通工作过程中，由于二极管的
发热量相对于ＩＧＢＴ而言很小，因此忽略不计。②由于
铝丝的直径很小，只有０．３ ｍｍ左右，因此认为ＩＧＢＴ产生
的热量不沿铝丝传导，而完全由其下方的焊层导出，
罔４ ＩＧＢＴ模块中各单儿热阻的分布
因此将铝丝省略。③认为焊层中不存在任何空洞、缺
陷，所有的焊层都是均匀的 。一般认为，由于ＩＧＢＴ产
生的热量主要集中在芯片表面（发射极、栅极所在的
表面）６８％的区域，认为该加热面上热流密度均匀分
图４给出了ＩＧＢＴ模块内部不同单元之间的热阻分
布情况。可以看出，模块的热阻优化前分散性较大，容
易导致模块各层结构散热不均。而经过热节点等效电
路模型处理后，模块内部各层热阻分布较为均匀，热
阻落差相对较小，而且在整个模块热阻的组成中，芯
片到焊层１之间的热阻所占比重最大，大约为总热阻的
布，每个ＩＧＢＴ芯片功耗约为２５０ Ｗ。因此，在该加热面
上施加均匀的热流密度３．６ Ｗ／ｍｍ。，在基板下表面加载
９ ０００ Ｗ／ｍ ・Ｋ的等效对流换热系数。
机 车 电 传 动 ２０１ ３年
信网络的研究和优化非常重要。ＭＶＢ总线通信网络动
态性能的研究将为如何设计高可靠性、强实时性的
ＭＶＢ网络打下基础。本文以协议效率、网络效率、网络
有效利用率、吞吐量为指标，研究了ＭＶＢ总线网络动
态性能的评估方法，并通过改变通信介质和网络负载，
分析了各动态性能指标的变化特点，最后提出了优化
动态性能的方法，以期为１二程技术人员提供参考和理
论依据。
同时，该研究Ｔ作还有许多值得扩展和完善的地
５ 设备数与刚络利用军、吞吐量的关系
方。比如，在设计上如何合理安排过程数据轮询次序，
如何分配过程数据和消息数据的带宽，以提高ＭＶＢ总
线网络的网络动态性能。这些都是有待研究和探讨的
内容。
参考文献：
［Ｉ］张冗林．列车控制网络技术的现状 发展趋势［Ｊ １．电力机
车０城轨车辆，２００６，２９（４）：卜４．
从图５可见，ＭＶＢ总线网络的网络利用率和吞吐量
随着设备数的增加而增大，当总线上的设备数增加到
一
定的程度，网络利用率和吞吐量的增加明显变慢。
这是由于网络周期相带宽有限，当过程数据负载增加
到一定程度，周期相会饱和直至数据溢出。
ＭＶＢ数据通信是一个复杂的过程，对ＭＶＢ总线通
信网络的优化，可以根据网络负载的大小，适当地调
整周期相在基本周期所占的比例
…
【２］现场总线网络性能指标与评ｆ＾方法｜Ｊ］．低 电器：２００９
ｆ３）：３５—３８．
，或改变宏周期
的大小，来使过程数据带宽更适应过程数据负载
１ ３ Ｊ ＩＥＣ ６ １ ３７５—１，Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒａｉｌｗａｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ—Ｔｒａｉｎ ｂｕｓ—Ｐａｒｔ １：Ｔｒａｉｎ
ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ【Ｓ １ Ｇｅｎｅｖａ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ：ＩＥＣ，２００７
ｌ ４］Ｐｉｅｒｒｅ Ｄｅｒｓｉｎ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ—ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ
的大小，从而提高数据的网络利用率和吞吐量，以达
到优化网络性能的目的。
ｎｅｔｗｏｒｋｓ，Ａｌｓｔｏｍ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ［Ｊ ｌ Ｓｏｆｔｗａｒｅ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０１１（３）：１２１—１２７．
４结语
随着列车通信网络技术的日益普及，ＭＶＢ总线通
［５］阳宪惠．现场总线技术及其应用［Ｍ］．北京：清华大学出
版社．１９９９．
（上接第４页）
［１ ０］陈 明，胡 安，唐 勇，汪 波．绝缘栅双极型晶体管传
ｎｏｔｅ，２００８．
１ ｌ ５ ｊ Ｕ Ｄｒｏｆｅｎｉｋ，Ｄ Ｃｏｔｔｅｔ，Ａ Ｍｉｉｓｉｎｇ，Ｊ Ｍｅｙｅｒ，ｅｔ ａ１．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｔｈｅ
Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｉｅｓ
热模型建模分析［Ｊ］．高电 技术，２０１ １，３７（２）：４５３—４５９．
［１ １］张
［１ ２］疗
健，吕长忠，张小玲，谢雪松，黄月强．基于ＡＮＳＹＳ的
杰，常桂钦，彭劳殿，李继鲁，唐龙谷． 基于ＡＮＳＹＳ的
ＩＧＢＴ热模拟Ｌｊ分析［Ｊ］．微电子学，２０１ｌ，４１（１）：１ ３９一ｌ４２．
大功率ＩＧＢＴ模块传热性能分析［Ｊ ｊ．大功率变流技术，２０ １ ２
ｆ２１：２０—２４．
ｏｆ ａ Ｗａｔｅｒ．Ｃｏｏｌｅｄ ３３００Ｖ／ｌ２００Ａ ＨｉＰａｋ ＩＧＢＴ Ｍｏｄｕｌｅ Ｃ ｌ
ＰＣＩＭ．２００７．
Ｉ１６【Ｃ Ｚｗｅｂｅｎ．Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｌｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｈａｌ—
ｌｅｎｇｅｓＩ Ｊ ｌ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６（２）：４０—４７．
［１７］Ｂ Ｄｕ，Ｊ Ｌ Ｈｕｄｇｉｎｓ，Ｅ Ｓａｎｔｉ，ｅｔ ａ１．Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｔｈｅｒｍａｌ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ【Ｊ ｌ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ
ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．２０ｌＯ，２５ｆ１）：２３７—２４８．
【１３ ｊ Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ．Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌ Ｍ ｌ Ｔｅｃｈ—
ｎｏｌｏｇｙ ｎｏｔｅ，２００７．
［１４］Ｉｎｆｉｎｅｏｎ．Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｏｄｅｌｓ ｌ Ｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
３８—
2024年5月15日发(作者：冉白玉)
了模块内部各层单元的热阻分布，使得模块结构更加
有利于散热。同时，通过有限元方法建立了功率模块
３Ｄ有限元模型，得到了模块封装内部各结构的温度场
分布形式，并得出模块内部各热阻分布以及模块的动
态热阻抗响应。通过比较理论计算结果可知，仿真分析
对提高功率模块的热学管理，优化模块各层单元结构
的热阻，改善模块散热结构，具有一定的指导意义。
１ 热学分析
１．１ 模块结构
本文研究对象为南车研发中心研制出的牵引级
１ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ ＩＧＢＴ模块，每个模块包含６个衬板单元，
每个衬板单元又包含４个ＩＧＢＴ和２个反并联二极管。模
块结构主要由７层不同的材料成分组成，包括６个不同
接触界面，如图１（ａ）所示。
从功率模块内部结构可以看出，在模块Ｔ作过程
中ＩＧＢＴ芯片是产生热量的热源，热流从芯片开始，逐
一
竖直地流经焊层、ＤＢＣ衬板、焊层、基板，最终通过散
热器与外界发生热交换，如 １（ｂ）所示。因此，在模块
工作过程中，为了避免产生局部过热现象，需要研究模
块内部各相邻单元之间的热量传递情况，以及模块稳
态热阻抗的分布，如果热阻分布不均，将会导致模块内
部产生较大的温度梯度，从而影响最终的可靠性、
热源 芯片
焊层１
ＤＢＣｌ
衬板
ＤＢＣ２
焊层２
基板
（ａ）结构，Ｊ 意图 （ｂ）内部散热模式
冈１ １ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ ＩＧＢＴ模块的结构示意图
及内部散热模式
１．２热阻模型
对于功率电子模块来说，模块的结一壳热阻最能
反映出模块的热学特性，是一个评价器件性能及进行
应用计算方面的一个重要参数。根据稳态时的结一壳
热阻可以对模块１二作稳定后芯片的结温进行预测，确
保芯片温度不超过额定温度。一般来说，热阻尺 是导
热介质两端的温度差与通过热流功率的比值，单位为
￣Ｃ／Ｗ或Ｋ／Ｗ¨引。热阻越小，表示芯片中的热量向外界
传导得越快，模块的热性能越好。热阻的大小一般与
材料的物理属性、芯片厚度、散热面积等参数有关，与
电路中电阻的表达形式类似，表示为
ｐ一
１ ｄ
一
式中：ｙ为材料的热导率；ｄ为芯片的厚度；Ａ为热流流
过的面积，且Ａ＝ｌ×Ｗ，ｚ、Ｗ分别为芯片的长度和宽度。
另外，在模块封装中最关心的是ＩＧＢＴ芯片的结温
。
ＩＧＢＴ芯片的结温主要由器件的环境温度、器件ＰＮ
结到周围环境的热阻所决定。若在模块热阻已知的情
况下，功率半导体模块的结温则可表示为¨
．
ｈ
Ｐ＋ ；或Ｒ ｈ＝—上 （２）
厂
式中： 为模块外壳所处的环境温度；Ｐ为芯片所消耗
的功率。
式（２）表明热阻越小，在同样大小的耗散功率Ｐ
情况下，芯片结温升温越小；或者说在达到同样／一Ｚ４￣ ｅ／［ ｔ
的条件下，能够消耗的功率更大，功率模块性能也就
越好¨ 。为了从根本 解决热量耗散的问题，关键在
于得到器件内部温度场的分布，以指导器件的热设计。
以１ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ大功率模块为例，分别存在７层热阻，
从最上层的 芑：片开始：芯片热阻、Ｊ二层焊接层１热阻、
｝：层ＤＢＣＩ热阻、衬板热阻、下层ＤＢＣ２热阻、下 焊接
层２热阻、基板热阻，其表达武分别为
。
ｌ
“【ｈ．ｓｉ— ｙ
ｓ． ｓ。Ⅵ
（３）
札ｓ
￣／ＳＡ ＩＳＡＷＳＡ （４）
Ｒ Ｂｃ＝ Ｌ ｆ ５）
ＹＤＢ（：／ＤＢＣ ＷＤＢ
Ｒｆ ｈ ｌＮ＝ （６）
ｙＡＮ／ＡＮＷＡＮ
Ｄ
１ （、
“ｔｈ
．
ＳＣ一一７ ＿ 一
ｌｓ（、 （
（７）
ｓｏ
～
式中： 为材料的热导牢；ｚ、Ｗ、ｄ为各单元结构的长度、
宽度和厚度。下引脚Ｓｉ、ＳＡ、ＤＢＣ、ＡＮ、ＳＣ分别代表ｒ
芯片（Ｓｉ）、焊层（ＳｎＡｇ合金）、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ ｂｏｎｄ ｃｏｐｐｅｒ）、
陶瓷衬板（Ａ１Ｎ）、散热基板（Ａ１ＳｉＣ），下同
以上对模块热阻的分析是基ｆ传统的热阻计算 ‘
法，仅仅考虑了模块内部各单 的热阻值，忽略了各
单元之间的热耦合效应¨引。为了考虑模块内部各热阻
之间的相互关联性，并简化各单元的几何尺寸非线性
效应，采用了一种热节点模型，如 ２所示。该模型采
用等效方法把模块内部各层结构分别等效成一个节
点，这样可以简化整个模块的结构，以减少模块『大Ｊ部
热场分布的几何非线性效应。
Ｒｍ ｓ
ｌ
尺ｔｈ ｓＡ１
ｍＤＢ（＝：ｌ
Ｒ ＡＮ
ｍＤＢｃ２
Ｒｔｈ ｓＡ２
Ｒｔｈ ｓｃ
口『ｗ
同２ ＩＧＢＴ功牢模块的热节点模，
假设热源来自芯片内部，根据节点网络模 ，埘功
第１期 刘国友，吴义伯，徐凝华，窦泽春：牵引级ｌ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ ＩＧＢＴ功率模块的热学设计与仿真
率模块内部各单元的热阻进行二阶热网络模型处理¨ ，
１
一
ｄｓＡ２
＋
ｌ ４ ｃ （１３）
可得到优化后的热阻分布，如图３所示，且可以得到模
块内部各单元之问的等效热阻表达式：
Ｒｓ ｓＡｌ ＲｓＡｌ，ＤＢｃ１ ＲＤＢｃｌ，＾Ｎ ＾Ｎ，ＤＢｃ２ ＲＤＢｃ２，ｓＡ２ ＲｓＡ２ｍＰ ＲＢＰ
去焘＋ １ ｄｓＡ Ｉ
Ｒ ｓ…ｃｔ： １ ｄＳＡＩ
＋
（８）
Ｐ
１ ｄ ＤＢＣ Ｉ
（９）
图３ ＩＧＢＴ模块的热阻等效电路模型
１ ｄ ＡＮ Ｒ。 ｗ １ ｄ ＤＢＣ Ｉ
＋
（１。）
ｄ ＤＢＣ ２
１．３热阻分布
１
巾 ＝
ｄ ＡＮ
＋
ｌ
对于图１所示的１ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ ＩＧＢＴ功率模块而言，
（１１） ｙ
ＡＮ ｚ ＡＮ１ Ｎ ＤＢｃ２ Ｚ ＤＢｃ２Ⅵ Ｂｃ
其内部各单元的几何尺寸及相应的材料属性如表１所
示Ｉ 。然后把式（８）～式（１ ３）中一系列公式导人到
ＥＸＣＥＬ，利用ＳＯＬＶＥＲ＿Ｔ．具可以计算出基于热节点等效
电路模型的模块内部各热阻分布，如表２所示。
［
…ｓ ‘
ｄ ＤＢＣ ２
＋瓦１ ｄＳＡ２
ｓＡ２ ｓＡ２１ Ａ２
（１２）
ＤＢｃ２ ｚ ＤＢｃ２ ¨ ＤＢｃ２
表１ １ ５００ Ａ／３ ３００ Ｖ Ｉ ＧＢＴ模块的典型几何尺寸及其材料属性
４６＿３％，焊层１与ＤＢＣ铜之间的热阻次之，约占３３．１％，其
参数Ｉ芯片ｌ焊层１『ＤＢＣ１ Ｉ衬板Ｉ ＤＢＣ２ ｌ焊层２ Ｉ 基板
余各层热阻分别在３％～７％之间，其各单元热阻分布如
图４所示。这主要是因为在散热通道中，芯片的有效散
Ｉ！ ：！Ｊ ： Ｉ ： ｌ ： ｌ ： ｌ ： Ｊ ．：！：
ｅ
ｌＪ ２３．５ Ｉ ｌ６．８２ 芈Ｃｌ １．４７ ｌ１－３８ Ｉ １－３３ １ ３．６９ Ｉ ２．５９
热面积约为衬板面积的１／１５，导致芯片热阻在总热阻
中所占比重较大。
２仿真分析
２．１ 仿真模型
本节主要利用有限元分析方法对ＩＧＢＴ功率模块的
内部传热进行仿真分析。为了突出重点并节约计算机
资源，减少计算时问，将实际模块的１／４作为热分析对
象，建立了稳态传热模型，如图５所示。
在仿真分析过程中，对所建ＩＧＢＴ的有限元模型做
出如下假设：①稳态开通工作过程中，由于二极管的
发热量相对于ＩＧＢＴ而言很小，因此忽略不计。②由于
铝丝的直径很小，只有０．３ ｍｍ左右，因此认为ＩＧＢＴ产生
的热量不沿铝丝传导，而完全由其下方的焊层导出，
罔４ ＩＧＢＴ模块中各单儿热阻的分布
因此将铝丝省略。③认为焊层中不存在任何空洞、缺
陷，所有的焊层都是均匀的 。一般认为，由于ＩＧＢＴ产
生的热量主要集中在芯片表面（发射极、栅极所在的
表面）６８％的区域，认为该加热面上热流密度均匀分
图４给出了ＩＧＢＴ模块内部不同单元之间的热阻分
布情况。可以看出，模块的热阻优化前分散性较大，容
易导致模块各层结构散热不均。而经过热节点等效电
路模型处理后，模块内部各层热阻分布较为均匀，热
阻落差相对较小，而且在整个模块热阻的组成中，芯
片到焊层１之间的热阻所占比重最大，大约为总热阻的
布，每个ＩＧＢＴ芯片功耗约为２５０ Ｗ。因此，在该加热面
上施加均匀的热流密度３．６ Ｗ／ｍｍ。，在基板下表面加载
９ ０００ Ｗ／ｍ ・Ｋ的等效对流换热系数。
机 车 电 传 动 ２０１ ３年
信网络的研究和优化非常重要。ＭＶＢ总线通信网络动
态性能的研究将为如何设计高可靠性、强实时性的
ＭＶＢ网络打下基础。本文以协议效率、网络效率、网络
有效利用率、吞吐量为指标，研究了ＭＶＢ总线网络动
态性能的评估方法，并通过改变通信介质和网络负载，
分析了各动态性能指标的变化特点，最后提出了优化
动态性能的方法，以期为１二程技术人员提供参考和理
论依据。
同时，该研究Ｔ作还有许多值得扩展和完善的地
５ 设备数与刚络利用军、吞吐量的关系
方。比如，在设计上如何合理安排过程数据轮询次序，
如何分配过程数据和消息数据的带宽，以提高ＭＶＢ总
线网络的网络动态性能。这些都是有待研究和探讨的
内容。
参考文献：
［Ｉ］张冗林．列车控制网络技术的现状 发展趋势［Ｊ １．电力机
车０城轨车辆，２００６，２９（４）：卜４．
从图５可见，ＭＶＢ总线网络的网络利用率和吞吐量
随着设备数的增加而增大，当总线上的设备数增加到
一
定的程度，网络利用率和吞吐量的增加明显变慢。
这是由于网络周期相带宽有限，当过程数据负载增加
到一定程度，周期相会饱和直至数据溢出。
ＭＶＢ数据通信是一个复杂的过程，对ＭＶＢ总线通
信网络的优化，可以根据网络负载的大小，适当地调
整周期相在基本周期所占的比例
…
【２］现场总线网络性能指标与评ｆ＾方法｜Ｊ］．低 电器：２００９
ｆ３）：３５—３８．
，或改变宏周期
的大小，来使过程数据带宽更适应过程数据负载
１ ３ Ｊ ＩＥＣ ６ １ ３７５—１，Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒａｉｌｗａｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ—Ｔｒａｉｎ ｂｕｓ—Ｐａｒｔ １：Ｔｒａｉｎ
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的大小，从而提高数据的网络利用率和吞吐量，以达
到优化网络性能的目的。
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４结语
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