在高压IGBT和SIC模块中，热失控不仅仅是结温超过安全限值的情况，它代表着一个正电热反馈回路的升级过程：温度升高会增加电损耗，而这些损耗的增加又会产生更多热量。

一旦系统的散热能力被这种反馈所超越，变换器就从处理可控的温度升高转变为自我加速的不稳定状态。通过这种转变，可以轻松区分系统是处于热应力状态还是真正的失控状态。

图1

在中等温度下，漏电流、开关损耗和导通电阻遵循可预测的模式。然而，当结温超过上限时，微小的温度变化会触发损耗的显著增加，这些参数便进入非线性区域。

例如，SiC mosfet的温度升高会导致更高的反向导通损耗，IGBT的拖尾电流随温度升高而增加，而介质漏电流可能呈指数级增长。在这些条件下，这些损耗随温度急剧增加的速率，导致产生的热量压倒了冷却系统的散热能力，形成一条上升曲线。

如上图2所示，只要功率模块的散热能力超过其产生的热量，它就能保持在稳定状态。当损耗产生的热量与冷却系统的处理能力相比快速增加时，反馈回路变为正反馈，导致温度不可阻挡地上升。

图2

在研究如何预测和控制热失控之前，必须理解热不平衡与热不稳定性之间的区别，这些非线性效应叠加在一起，可能导致一个模块无法维持平衡，进而对其邻近组件造成应力，引发系统级的不稳定。

理解热平衡与热不稳定性

热平衡是指散热速率与产热速率相等的平衡状态，它确保功率模块的稳定性，使结温在一个可预测的工作点保持稳定。

当这种热平衡被破坏时(无论是由于功率模块损耗增加还是冷却能力下降)，系统会进入温度开始上升的状态。如果不加以控制，系统可能达到热不稳定的临界点，此时热调节机制失效，温度不受控制地上升。

传导和开关损耗产生的热源，以及结到冷却剂的热阻抗，共同决定了冷却能力。随着散热风扇、泵和热界面材料性能的退化，热阻抗会增加，从而缩小稳定运行与失控之间的安全裕度。

观察引发热不稳定的条件，在高阻断电压下的SiC器件面临漏电流的快速增长，即使在开关操作最小时也会产生意外热量。另一个需要考虑的潜在不稳定因素是焊料和界面退化，这会突然增加结壳热阻(θJC)，使热量集中在芯片上。

串联或堆叠的功率模块中寄生耦合导致的电压分配不均，也可能产生局部热点。当所有这些效应叠加时，会将功率模块推至冷却系统无法恢复平衡的临界点。

功率模块热不稳定的早期迹象有哪些?一个早期迹象是有源安全工作区的压缩，这是由于损耗导致的温升曲线变陡，从而减少了允许的电流和开关应力。

另一个关键指标是PWM操作时的温度漂移：温度并非达到稳定的稳态，而是逐周期上升，这表明产生的热量已无法与其冷却保持同步。

多模块配置中的热量传播

多电平变换器依赖于模块间电压的精确分配。当一个模块加热超出其设计工作范围时，其他模块开始面临一些不稳定效应。热量积聚可以通过功率模块的机械结构传播到其他子模块，即使在恒定的电气负载下也会升高它们的结温。

共享散热器、基板和层叠母排会导致热量纵向扩散，传播到邻近组件，从而产生局部热点。另一个效应是电容发热会改变等效串联电阻，导致局部热应力。这种连锁反应意味着单个模块可能危及整个变换器桥臂。

图3

在并联的变换器支路中，热不稳定通常源于电流不平衡。当一个模块发热时，电流会不均匀地分配到其他模块。发热的模块由于沟道电阻增加而吸引更多电流，影响到本已承受应力的器件。不均匀的电流重新分配可能导致不对称性丢失，并反馈到系统控制中。在这种情况下，开关或导通损耗随温度的变化会改变控制环路的行为，导致不平衡。

用于失控检测的预测仿真框架

热失控预测需要进行更详细的瞬态热分析，工程师需要评估损耗、温度和冷却能力随时间推移的相互作用。现代高功率IGBT和SiC系统依赖于电热协同设计，将功率损耗计算与时间相关的热模型联系起来，以确定组件是达到稳态运行还是趋向不稳定。

为了准确预测热失控，我们可以描述开关、导通和漏电损耗转化为热量期间结温的演变，这些热量流过功率模块的热阻抗。如公式所示，被带走的热量取决于冷却架构和材料的极限，并且由于损耗随温度升高而增加，系统变得非线性。

通过考虑时间t时半导体芯片的结温Tj、流入的环境或冷却剂温度Ta、作为温度函数的功率总损耗Ploss以及随时间变化的热阻抗Zθ(t)，可以实现非线性电热反馈和失控预测的一般方程。

然后，我们可以通过考虑温升产生的反馈回路，交互式地建模下一步，以理解当超出功率模块的冷却能力时，该回路如何产生热失控。在模型中，新温度依赖于前一时刻的温度，从而形成反馈回路，并考虑了仿真时间步长Δt。

利用失控判据，可以确定器件电热反馈由负变正的确切临界点。该判据定义：结温每略有增加，就会产生冷却系统无法散去的额外热量。SiC MOSFET的漏电流和IGBT的拖尾电流都导致损耗对温度升高的敏感性增大。

功率模块处于平衡状态，且冷却能够补偿的条件是：

功率模块处于稳定性边缘的条件是：

最终，功率模块进入热失控，反馈变为正反馈的条件是：

增强抗热不稳定性的设计

在设计能够抵抗热不稳定的可靠变换器时，可以从三个方面应对热失控：通过降低热阻抗来提高变换器的散热能力;降低功率损耗随温度升高的增长速度;以及增加控制和保护以实现对热不稳定的早期检测。

表1

散热设计可以通过采用高性能热界面材料、增加热容，以及在初始选型时相比基准设计将有效结到环境稳态热阻降低30%来改善。在材料和布局策略方面，可以分段设计母排以减少纵向热量扩散，并为每个模块使用专用散热器，而非单一的连续散热板。

采用多点传感并实施温升速率算法(而不仅仅是绝对温度)，可以实现快速检测，以便及时采取纠正措施。可以实施控制方面的措施，例如在过热事件中进行协调关断，以避免可能导致大瞬态电流的不对称关断。

总的来说，功率工程师需要将热不稳定性视为一个系统级的挑战，这对功率模块的可靠性至关重要。通过设计足够的裕量、实施预测性监测，并在降级条件下进行验证，即使是最苛刻的任务工况下，变换器也能保持稳定。