基于Icepak的氧化镓功率模块热仿真

于 2026-11-10 10:36:40 发布 16 0 0

关键词：Icepak；功率模块；热仿真；电热协同；氧化镓

一、文章简要介绍

超宽禁带的氧化镓耐压高、体积热容大，但热导率只有20瓦每米开，功率做大了热就是瓶颈。香港大学联合弗吉尼亚理工在Nature Communications给出兆瓦级氧化镓功率模块方案：倒装六芯片，用高介电常数钛酸钡界面层摊平电场，顺带省掉传统立柱，热阻降一半以上，脉冲功率容量密度做到1.8兆瓦每平方厘米。散热设计全程用ANSYS Icepak建模标定，稳态和瞬态温度场都和热像仪实测对上（DOI：10.1038/s41467-026-71274-6）。

基于Icepak的氧化镓功率模块热仿真的图1

脉冲功率应用与封装结构爆炸图

从储能到脉冲输出，氧化镓模块用在MRI、激光与核聚变供电

图1下半是单芯片子模块的爆炸图，芯片倒装直接贴DBC板，结面朝下散热。

$基于Icepak的氧化镓功率模块热仿真的图2$

三种终端设计的电场分布对比

高介电常数界面把阳极边缘的电场拥挤摊平，耐压过2千伏

二、仿真步骤

步骤一：几何建模。SolidWorks建三维结构，导入ANSYS Workbench后用SpaceClaim简化几何，定义Icepak可识别的固体、热源与边界对象。Icepak基于有限体积法求解，流体域用雷诺平均湍流模型处理自然对流。

步骤二：材料赋参与网格。氧化镓给0.56焦每克开比热、20瓦每米开导热、5.96克每立方厘米密度，烧结银、钼铜柱、AlN覆铜板逐一对上实测。结区与材料界面梯度大，网格专门加密，高场区同样做网格无关性检查。

$基于Icepak的氧化镓功率模块热仿真的图3$

动态开关测试电路与温升协议

热像仪记录壳温做标定，自然对流与风扇冷却各算一轮

步骤三：实验标定。模块在10安、1000伏、5千赫下连续开关，热像仪记录1秒到1000秒的壳温曲线，自然对流与风扇冷却两种方案各标一轮，仿真结温虚线与实测壳温全程重合。

基于Icepak的氧化镓功率模块热仿真的图4

热阻抗曲线与稳态瞬态温度云图

20瓦稳态下无柱模块结温57度，带柱模块74度还带89度热点

步骤四：稳态与瞬态计算。稳态给20瓦损耗对比两种封装；瞬态按10微秒、1毫秒、100毫秒三个脉宽、0.5焦耳恒定能量出温度云图，再结合热阻抗曲线推各时间尺度的极限功率。

三、关键结果与发现

稳态结果直白：无立柱的高介电常数界面模块结温57度，带立柱的74度，阳极边缘还有89度热点，热阻从1.05降到0.47开每瓦，砍了一半多。瞬态更关键，短脉冲下温升更高，氧化镓250度的工作耐受正好接住；5千赫重复脉冲结温爬到180度，1千赫只有125度。靠体积热容大加封装优化，微秒级脉冲的功率容量密度比同阻值硅和碳化硅器件高出一截，脉宽越短优势越大，最后实测1003安、1000伏的兆瓦级开关。

基于Icepak的氧化镓功率模块热仿真的图5

重复脉冲下的结温演化

5千赫重复脉冲结温爬到180度，1千赫只有125度

图6是六芯片模块的实物与实验波形，浪涌测试里3.6微秒扛住856安，结温始终压在碳化硅对比件之下。

$基于Icepak的氧化镓功率模块热仿真的图6$

兆瓦级脉冲开关实验与模块结构

六芯片模块实测1003安培，功率容量比已报道器件高两个量级

图7汇总了不同脉宽的浪涌电流与最高结温，短脉冲下氧化镓的热缓冲优势一目了然。

基于Icepak的氧化镓功率模块热仿真的图7

浪涌电流能力与结温对比

3.6微秒浪涌856安培，同尺寸下结温比碳化硅低得多

四、我们提供的服务