Análise do comportamento térmico de semicondutores de potência

IGBT power semiconductor modules are widely used in various industries, these transistors are present in industrial control system, electrical systems for the solar and wind power industry, industrial machines, railway traction, engine’s activation, hybrid electric vehicles, power inverters and other high-power switching devices. IGBT power modules generate an undesirable amount of heat from the dissipation of electric power. The reliability of semiconductor device modules is tightly linked to the operating junction temperatures of the device chips. Clearly, simulation tools are required to compute the instantaneous temperature of the devices under different load conditions of the converter. This contribution presents a transient 3D heat transfer analysis based on Finite Element Method using ANSYS software, for an IGBT power device with many layers of varying cross-sectional areas, different materials and heat sources. Two different cases were investigated, namely electric conduction and switching, which is characterized by strongly time-dependent heat source. A method for smooth out this energy signal during switching was used to make the numerical code more optimized. Calculated results are validated against experiments, where the experimental temperature data were obtained via thermography with a research-grade infrared camera, which provides a large amount of non-intrusive measurements of the entire external surface of the IGBT module. A good agreement regarding numerical and experimental results was observed.Módulos semicondutores de potência do tipo IGBT são amplamente utilizados em diversas indústrias, estes transistores estão presentes em sistemas de controle industrial, sistemas elétricos para indústria de energia solar e energia eólica, em máquinas industriais, tração ferroviária, acionamentos de motor, veículos elétricos híbridos, inversores de potência e em outros dispositivos de comutação de alta potência. Módulos IGBT geram uma quantidade indesejável de calor por meio da dissipação de energia elétrica. A confiabilidade destes dispositivos semicondutores está fortemente ligada às temperaturas de junção operacional dos chips do dispositivo. Ferramentas de simulação são necessários para calcular a temperatura instantânea dos dispositivos sob diferentes condições de carregamento do conversor. Esta dissertação apresenta uma análise do problema de transferência de calor 3D transiente, baseada no Método dos Elementos Finitos utilizando o software ANSYS, para um dispositivo potência IGBT com diversas camadas de diferentes áreas, materiais e fontes de calor. Dois diferentes casos foram estudados, a saber: condução elétrica e chaveamento, este último é caracterizado pela fonte de calor fortemente dependência do tempo. Foi utilizado um método para suavização deste sinal de energia durante o chaveamento com o intuito de tornar o código numérico mais otimizado. Os resultados numéricos obtidos são validados com os resultados experimentais, onde os dados experimentais de temperatura utilizados foram obtidos via termografia com uma câmera infravermelha, que fornece uma grande quantidade de medições não intrusivas de toda a superfície externa do módulo IGBT. Uma boa concordância entre os resultados numéricos e experimentais foi observada