CN106326532A - Igbt传热多时间尺度模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明的IGBT传热多时间尺度模型建模方法，以器件到装置对IGBT传热模型的不同需求为主线，以器件封装结构各层时间常数的不同时间尺度为切入点。1、基于经典Cauer传热RC网络结构与传热理论，建立适用于器件级热仿真的IGBT传热模型；2、对适用于器件级热仿真的IGBT传热模型进行简化，建立适用于组件级热仿真的IGBT传热模型；3、采用3层网络自然解耦之后的加合量来表征结温变化规律，建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型；据本方法建立的适用于器件到装置级热仿真的IGBT传热多时间尺度数学模型，有助于查明IGBT器件的结温运行规律，可有效实现电力电子器件到装置的独立与联合仿真。

Description

IGBT传热多时间尺度模型建模方法

技术领域

本发明属于电力电子器件建模与可靠性技术领域，具体地指一种IGBT传热多时间尺度模型建模方法。

技术背景

准确高效的仿真模型是完成虚拟仿真、实现精确设计、指导实际应用等功能的重要基础。在电力电子电能变换领域，不同设计阶段和应用背景下，对仿真模型的特性、精度和仿真速度有着不同要求。因此，根据需求提供满足一定要求的仿真模型是建模工作的关键。对于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)器件传热模型环节，依据电力电子器件到装置的级别，对IGBT器件传热模型的需求可以划分为，器件级、组件级和装置级。器件到装置级热仿真对于IGBT器件传热模型的需求为仿真精度逐渐降低、仿真速度逐渐提高。器件级热仿真需要IGBT传热模型能够对芯片结温的运行规律、封装结构不同层温度及不同层之间的动力学作用效应进行仿真，并要求精度高；组件级热仿真需要IGBT传热模型能够对芯片结温运行规律进行仿真，但相对于器件级仿真来说，仿真精度降低、仿真速度提高；而对于装置级热仿真只需IGBT传热模型能够对其最高结温进行仿真，以指导散热和结构设计等，对于IGBT结温运行规律和开关瞬态过程要求低，并且要求仿真速度更快。所以依据上述特点与需求建立IGBT传热模型，对于查明传热作用机理与规律、提高模型仿真效率与适用性、实现快速有效的结温仿真与计算至关重要。

当前关于经典RC传热网络模型的研究报道很多，主要针对如何实现IGBT结温规律仿真开展研究。通过分析IGBT模块的封装类型并获取结构参数，建立了IGBT模块Cauer热网络结构的行为模型，用于对芯片结温进行模拟仿真。基于IGBT模块的Foster网络结构，考虑电力电子装置的基本结构，建立了IGBT模块的温度估计方法。通过考虑单个模块的芯片内部布置与三维结构，建立了IGBT模块三维温度行为仿真模型。通过测试IGBT模块的瞬态热阻抗曲线，以Foster热网络结构理论表达式为目标函数，拟合得到Foster热网络结构下的热阻热容参数，进而基于得到的Foster网络结构模型对IGBT模块的结温行为运行规律进行模拟仿真。综上，当前研究多针对IGBT模块的结构与瞬态热阻抗曲线，建立了其Cauer与Foster热网络结构的行为模型，旨在实现IGBT模块的结温预测与仿真，但关于适用于不同装置等级、不同时间尺度的IGBT传热模型等研究内容未见报道。因此，本发明依据器件到装置不同等级对IGBT传热模型的仿真需求，建立一种IGBT传热多时间尺度数学模型。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种IGBT传热多时间尺度模型建模方法，该方法以器件到装置对IGBT传热模型的不同需求为主线，以器件封装结构各层传热时间常数的不同时间尺度为切入点，基于热传导理论和经典Cauer传热RC网络结构，通过理论推导、合理简化、研究传热动力学作用机制等，建立了适用于器件到装置级热仿真的IGBT传热多时间尺度模型。依据本方法建立的IGBT传热多时间尺度数学模型，有助于查明IGBT器件的传热网络结构特征与结温运行规律，可有效实现电力电子器件到装置的独立与联合仿真。

为实现此目的，本发明所设计的一种IGBT传热多时间尺度模型建模方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：基于经典Cauer传热RC网络结构与传热理论，通过建立IGBT器件的Cauer热网络结构，并对IGBT器件的Cauer热网络结构进行Laplace变换与反变换，建立适用于器件级热仿真的IGBT传热模型；

步骤2：对步骤1所建立的适用于器件级热仿真的IGBT传热模型，采用基于传热网络的运行特征，通过建立多层热网络模型的简化方法，对适用于器件级热仿真的IGBT传热模型进行简化，建立适用于组件级热仿真的IGBT传热模型；

步骤3：对步骤2所建立的适用于组件级热仿真的IGBT传热模型，采用自然解耦的方法，得到IGBT传热动力学作用机理与互动机制，通过研究多层传热网络结构的动力学作用特性，得出结温达到稳态之后，动力学作用效应消失，动力学作用分量为0的结论，采用3层网络自然解耦之后的加合量来表征结温变化规律，建立了表征传热动力学作用分量的方法，进而，建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型；

步骤4：基于器件到装置对IGBT传热模型的不同需求，依据器件封装结构各层时间常数的不同时间尺度，根据上述适用于器件级热仿真的IGBT传热模型、适用于组件级热仿真的IGBT传热模型和适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型，建立IGBT传热模型多时间尺度建模。

本发明的有益效果为：

(1)本发明基于经典Cauer传热RC网络结构与传热理论，针对IGBT器件完整的封装结构，通过考虑各层的几何尺寸与物理属性，建立了适用于器件级热仿真的IGBT传热数学模型，可直接用于器件级热仿真的IGBT传热特性精确仿真与计算。

(2)本发明基于传热网络的运行特征，查明了单层与多层热网络结构的结温运行规律以及简化标准与方法，建立了适用于组件级热仿真的IGBT传热数学模型，可直接用于组件级热仿真的IGBT传热特性精确仿真与计算。

(3)本发明采用自然解耦的方法，查明了IGBT传热动力学作用机理与互动机制，提出了表征传热动力学作用分量的方法，进而建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型，可直接用于装置级热仿真的IGBT传热特性精确仿真与计算。

附图说明

图1为IGBT模块RC传热Cauer模型；

图2为N层Cauer热网络结构Laplace变换；

图3为IGBT模块sandwich基本结构；

图4为七阶Cauer热网络结构模型；

图5为Cauer热网络模型传热规律时域分析轴；

图6为三阶Cauer热网络结构模型；

图7为IGBT模块3层RC网络自然解耦模型；

图8为3层网络耦合与自然解耦模型仿真结果；

图9为3层网络动力学作用分量变化规律；

图10为三阶Cauer热网络自然解耦一阶模型；

图11为IGBT传热模型实验验证电路；

图12a为不同电流下实验测试过程中功率损耗与散热器温度的功率损耗；

图12b为不同电流下实验测试过程中功率损耗与散热器温度的散热器温度；

图13a为10A电流下模型仿真与实验结果对比；

图13b为30A电流下模型仿真与实验结果对比；

图13c为50A电流下模型仿真与实验结果对比；

图14a为不同电流下模型仿真与实验结果对比；

图14b为不同电流下模型仿真与实验结果对比的误差分析；

图15为IGBT模块芯片结温及各层温度仿真分析；

图16a为适用于器件到装置级热仿真的IGBT传热模型仿真结果对比；

图16b为适用于器件到装置级热仿真的IGBT传热模型仿真结果误差分析；

图17为IGBT传热多时间尺度数学模型建模方法实施步骤流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

一种IGBT传热多时间尺度模型建模方法，它包括如下步骤：

步骤1：基于经典Cauer传热RC网络结构与传热理论，通过建立IGBT器件的Cauer热网络结构，并对IGBT器件的Cauer热网络结构进行Laplace变换与反变换，建立适用于器件级热仿真的IGBT传热模型；

步骤2：对步骤1所建立的适用于器件级热仿真的IGBT传热模型，采用基于传热网络的运行特征，通过建立多层热网络模型的简化方法，对适用于器件级热仿真的IGBT传热模型进行简化，建立适用于组件级热仿真的IGBT传热模型；

步骤3：对步骤2所建立的适用于组件级热仿真的IGBT传热模型，采用自然解耦的方法，得到IGBT传热动力学作用机理与互动机制，通过研究多层传热网络结构的动力学作用特性，得出结温达到稳态之后，动力学作用效应消失，动力学作用分量为0的结论，采用3层网络自然解耦之后的加合量来表征结温变化规律，建立了表征传热动力学作用分量的方法，进而，建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型；

步骤4：基于器件到装置对IGBT传热模型的不同需求，依据器件封装结构各层时间常数的不同时间尺度，根据上述适用于器件级热仿真的IGBT传热模型、适用于组件级热仿真的IGBT传热模型和适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型，建立IGBT传热模型多时间尺度建模(IGBT传热多时间尺度模型的建模依据就是器件到装置对IGBT传热模型的不同需求和器件封装结构各层时间常数的不同时间尺度，在以下的整个建模过程中均有体现)。

本发明中IGBT是由不同材料，多层复杂结构构成的功率半导体器件，具有良好的机械稳定、电绝缘和导热性能。从底部向上依次为基板、DBC、铜层、焊料层、硅芯片、铝金属膜和键丝。各层材料热膨胀系数、厚度、热导率、热阻、热容等特性各不相同。

热网络模型方法是基于RC热-电比拟原理，以IGBT芯片所产生的损耗热量为热源，将热量流通过模块各个物理层向散热器传递的过程等效为RC传热网络，每一物理层用一对RC来表示，IGBT模块的RC网络结构，如图1所示。

依据电热比拟理论，对图1进行Laplace变换，如图2所示，通过研究多层Cauer热网络结构，查明了N层Cauer热网络结构拉普拉斯变换矩阵的特点与普适性规律，经典Cauer传热RC网络结构的表达式为：

公式1中，R_n为Cauer热网络结构第n层热阻，n取正数，C_n为第n层热容，n取正数，s为由时域t进行laplace变换到频域后的复数变量，P_n(s)与P_n′(s)为第n个节点处热容与热阻支路功率流P_n(t)与P_n′(t)的laplace变换结果，P_in(s)为IGBT功率损耗P_in(t)的laplace变换结果，T_j(s)为IGBT芯片结温T_j(t)的laplace变换结果，T_c(s)为IGBT模块壳温T_c(t)的laplace变换结果。

对经典Cauer传热RC网络结构的表达式进行反拉普拉斯变换即可求出芯片结温及以下各层的温度，如式(2)与式(3)所示；

P_n(t)…P₁(t)，P_n'(t)…P₁'(t)，T_j(t)＝f(C_n…C₁，R_n…R₁，P_in(t)，T_c(t)) (2)

公式2和3中，T_n(t)为Cauer热网络结构第n层温度，R_n为Cauer热网络结构第n层热阻，C_n为第n层热容，P_n′(t)为第n个节点处热阻支路功率流，P_n(t)为第n个节点处热容支路功率流，P_in(t)为IGBT功率损耗，T_j(t)为IGBT芯片结温，T_c(t)为IGBT模块壳温；

对于器件级热仿真，要求IGBT传热模型能够对芯片结温的运行规律、封装结构不同层温度进行精确仿真。因此，基于IGBT基本结构和传热RC经典Cauer热网络结构，针对一种型号为GD50HFL120C1S的IGBT模块，建立了适用于器件级热仿真的IGBT传热数学模型；

该型IGBT模块由芯片至基板为七层sandwich结构，如图3所示。根据厂家提供的封装结构参数，基于电热比拟理论与热阻、热容理论计算式，得到该型IGBT模块芯片至基板各层结构参数与时间常数。进而，根据经典Cauer传热RC网络结构以及公式2和公式3，建立完整的七阶IGBT传热网络结构模型；

对完整的七阶IGBT传热网络结构模型进行拉普拉斯变化与反变换，即可求出芯片结温及以下封装各层的温度，如式(4)与式(5)所示，即适用于器件级热仿真的IGBT传热模型；

P₇(t)…P₁(t)，P₇'(t)…P₁'(t)，T_j(t)＝f(C₇…C₁，R₇…R₁，P_in(t)，T_c(t)) (4)

$\left[\begin{array}{c}{T}_7\left(t\right)\\ T_6\left(t\right)\\ T_5\left(t\right)\\ T_4\left(t\right)\\ T_3\left(t\right)\\ T_2\left(t\right)\\ T_1\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccccc}{P_7}^{\′}\left(t\right)& {P_6}^{\′}\left(t\right)& {P_5}^{\′}\left(t\right)& {P_4}^{\′}\left(t\right)& {P_3}^{\′}\left(t\right)& {P_2}^{\′}\left(t\right)& {P_1}^{\′}\left(t\right)\\ 0& {P_6}^{\′}\left(t\right)& {P_5}^{\′}\left(t\right)& {P_4}^{\′}\left(t\right)& {P_3}^{\′}\left(t\right)& {P_2}^{\′}\left(t\right)& {P_1}^{\′}\left(t\right)\\ 0& 0& {P_5}^{\′}\left(t\right)& {P_4}^{\′}\left(t\right)& {P_3}^{\′}\left(t\right)& {P_2}^{\′}\left(t\right)& {P_1}^{\′}\left(t\right)\\ 0& 0& 0& {P_4}^{\′}\left(t\right)& {P_3}^{\′}\left(t\right)& {P_2}^{\′}\left(t\right)& {P_1}^{\′}\left(t\right)\\ 0& 0& 0& 0& {P_3}^{\′}\left(t\right)& {P_2}^{\′}\left(t\right)& {P_1}^{\′}\left(t\right)\\ 0& 0& 0& 0& 0& {P_2}^{\′}\left(t\right)& {P_1}^{\′}\left(t\right)\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& {P_1}^{\′}\left(t\right)\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{R}_7\\ R_6\\ R_5\\ R_4\\ R_3\\ R_2\\ R_1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{T}_c\left(t\right)\\ T_c\left(t\right)\\ T_c\left(t\right)\\ T_c\left(t\right)\\ T_c\left(t\right)\\ T_c\left(t\right)\\ T_c\left(t\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

公式4和5中，P₇(t)…P₁(t)为第7～第1个节点处热容支路功率流，P₇'(t)…P₁'(t)为第7～第1个节点处热阻支路功率流，C₇…C₁为第7层热容～第1层热容，R₇…R₁为Cauer热网络结构第7层热阻～第1层热阻，P_in(t)为IGBT功率损耗，T_c(t)为IGBT模块壳温，T₇(t)～T₁(t)为Cauer热网络结构第7层温度～第1层温度。

对于组件级热仿真，要求IGBT传热模型能够对芯片结温运行规律进行仿真，但相对于器件级热仿真来说，仿真精度降低、仿真速度提高。因此，需要建立既能反映结温运行规律，又能保证仿真速度的IGBT传热模型。基于IGBT模块7层传热Cauer热网络结构与适用于器件级热仿真的IGBT传热模型，通过分析单层RC网络的运行特性，研究封装各层之间的热传递规律，针对该型IGBT模块，对7层传热网络进行了简化，并建立了适用于组件级热仿真的三阶IGBT传热数学模型。

通过对单层网络结构的传热特性进行分析，可以得出以下结论：

1)结壳温差，当热阻一定时，由功耗决定，功耗相同，结壳温差相同；当功耗相同时，由热阻决定，热阻越大，结壳温差越大；

2)当输入功率保持不变时，热阻与热容不同组合情况下，时间常数相同，结温达到稳态时间相同；

3)当相邻层时间常数相差较大时，热量可迅速传过时间常数较小层，因此，热量传过该层的时间相对于时间常数较大层较小，可以忽略不计，根据这一原则可对多层RC热网络进行适当简化。

该型IGBT模块芯片至基板各层结构参数与时间常数，如图4所示。时间常数是反映热量传过该层所需时间的物性参数。时间常数越大，热量传过该层所需时间越长，时间常数越小，热量传过该层所需时间越短。该型IGBT模块，热量产生与RC网络各层传热时间之间的关系，如图5所示。

通过图5可以看出，相对于DBC层和基板层，芯片层、上焊料层、上铜层、下铜层和下焊料层时间常数甚小，因此，热量传过这些层所需时间短，对芯片结温运行规律影响小。根据上述研究结论，热传递时间可以忽略不计。采用Saber仿真软件中的行为模型，基于热量达到稳态时间的概念，对这一结论进行了验证。

基于稳态时间理论计算式与saber单层热网络模型仿真条件，对IGBT模块封装各层单层结构达到稳态时间进行了理论计算与仿真分析，如表1所示。

表1 IGBT模块各层单层结构达到稳态时间

通过表1可以看出，IGBT各层单层结构达到稳态时间的分布情况，即热量传递过程通过各层所需时间。热量通过DBC陶瓷层(Layer4)的时间分别是通过上焊料层(Layer2)和上铜层(Layer3)时间的582倍和466倍；热量通过基板层(Layer7)的时间是通过下铜层(Layer5)和下焊料层(Layer6)时间的1150倍和67倍；因此可以得出，相对于整个热量传递过程，热量通过上焊料层(Layer2)、上铜层(Layer3)、下铜层(Layer5)和下焊料层(Layer6)的时间可以忽略不计。而热容是决定热量传递时间的元件，所以可以将上焊料层热容(C_solder1)、上铜层(C_copper1)、下铜层(C_copper2)和下焊料层(C_solder2)视为无穷大，即断路状态。因此将IGBT模块七阶Cauer热网络模型简化为图6所示的三阶Cauer热网络模型；

对三阶Cauer热网络模型进行拉普拉斯变换与反变换，求出芯片结温与各等效层温度，如式(6)与式(7)所示，即适用于组件级热仿真的IGBT传热模型；

P₃(t)…P₁(t)，P₃'(t)…P₁'(t)，T_j(t)＝f(C₃…C₁，R₃…R₁，P_in(t)，T_c(t)) (6)

$\left[\begin{array}{c}{T}_3\left(t\right)\\ T_2\left(t\right)\\ T_1\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{P_3}^{\′}\left(t\right)& {P_2}^{\′}\left(t\right)& {P_1}^{\′}\left(t\right)\\ 0& {P_2}^{\′}\left(t\right)& {P_1}^{\′}\left(t\right)\\ 0& 0& {P_1}^{\′}\left(t\right)\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{R}_7+R_6+R_5\\ R_4+R_3+R_2\\ R_1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{T}_C\left(t\right)\\ T_C\left(t\right)\\ T_C\left(t\right)\end{array}\right]---\left(7\right)$

P₃(t)…P₁(t)为第3～第1个节点处热容支路功率流，P₃'(t)…P₁'(t)为第3～第1个节点处热阻支路功率流，T_j(t)为IGBT芯片结温，C₃…C₁为第3层热容～第1层热容，R₃～R₁为Cauer热网络结构第3层热阻～第1层热阻，P_in(t)为IGBT功率损耗,T_c(t)为IGBT模块壳温，T₃(t)～T₁(t)为Cauer热网络结构第3层温度～第1层温度，R₇…R₁为Cauer热网络结构第7层热阻～第1层热阻。

IGBT器件产生的功耗以热量的形式通过芯片、焊料层、铜层、陶瓷层和基板传递至散热器和外部空间，热量在由芯片传递至基板的过程中，在各层之间产生相互作用，热量在传递过程中各层之间的相互作用过程称为热传递动力学行为。采用所建立的IGBT传热数学模型，以图1IGBT模块简化之后的3层RC网络模型为例，采用阶跃功率输入信号，对IGBT器件RC网络传热动力学特性与作用机制进行研究。由于层与层之间相互接触，在热量传递过程中存在动力学作用过程。因此，提出采用自然解耦的方法，对其动力学特性进行研究。即将相互耦合的3层网络各自独立，各层温度进行数学相加，如图7所示，加合量标记为T_Add；3层网络耦合作用下的芯片层温度，耦合量标记为T_Cou；则3层温度数学相加得到的加合量与耦合作用下的耦合量之间的差别为该网络的动力学作用效应，该动力学作用分量标记为T_Dyn。

针对该型IGBT模块，采用所建立的传热数学模型，在阶跃功率270.15W输入信号下，对其动力学特性进行了仿真研究，如图8和图9所示。其中，图8为3层网络耦合与自然解耦模型仿真结果，图9为3层网络动力学作用分量变化规律。

通过图8可以看出，在温度上升过程中，3层网络自然解耦模型温度高于耦合模型仿真结果。这是由于3层耦合网络模型，在温度上升的过程中，下一层温度的升高受到上一层温度的制约，即耦合作用效应，所以导致自然解耦模型结果高于耦合模型仿真结果。两个模型之间的差别即为动力学作用分量，其变化规律如图9所示。通过图9可以看出，在温度上升过程中，动力学作用效应先增大后减小。这主要是由于在温度上升初期结温与稳态温度相差较大，层与层之间的相互制约与作用效应逐渐增大，动力学作用分量逐渐增大。随着结温向稳态温度的逐步逼近，动力学作用分量增大的速率逐渐减小，直至达到最大值。在温度上升后期结温距离稳态温度越来越小，层与层之间的相互制约与作用效应越来越小，动力学作用分量逐渐减小，达到稳态之后，动力学作用分量为0，即两个模型仿真结果一致。这主要是由于当结温由初始温度上升达到稳态之后，层与层之间的相互制约与作用效应消失，所以自然解耦与耦合模型仿真结果达成一致。

对于装置级热仿真，只要求IGBT传热模型能够对其最高结温进行仿真，以指导散热和结构设计等，对于IGBT结温运行规律和开关瞬态过程要求低，并且要求具有更快的仿真速度。对步骤2所建立的适用于组件级热仿真的IGBT传热模型，采用3层网络自然解耦之后的加合量来表征结温变化规律，建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热一阶模型，如图10所示。对适用于装置级热仿真的IGBT传热一阶模型进行拉普拉斯变换与反变换，即可求出芯片结温，如式(8)所示，即适用于装置级热仿真的IGBT传热模型。

$T_j\left(t\right)=P_{in}\left(t\right)\·\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{R_i}^{\′}\·(1-e^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_i}})+T_c\left(t\right)---\left(8\right)$

式中，R_i′为N层Cauer热网络结构自然解耦之后的第n层热阻，τ_i为Cauer热网络结构第n层时间常数，T_j(t)为IGBT芯片结温，P_in(t)为IGBT功率损耗，t为IGBT导通时间，T_c(t)为IGBT模块壳温，e为自然常数。

为了验证所建立的适用于器件到装置级热仿真的IGBT传热多时间尺度数学模型的正确性与高效性，下面在不同工况下，对其精度进行了实验验证；在相同工况下，对其效率进行了仿真分析。

实验原理：采用恒定可调电流源作为打开封装的IGBT模块输入，电压、电流实时采集系统实时对集射极饱和压降和集电极电流进行实时采集并积分，采用高速红外热像仪对IGBT芯片温度进行实时测试。在IGBT器件芯片下方的散热器顶部开槽，布设高速热电偶，实时采集散热器温度变化。实验电路，如图11所示。其中，I为恒定可调电流源，D1为单向导通二极管，A为数字电流表，V_G为恒压源，D2为IGBT反并联二极管，V为数字电压表，In为红外热像仪。

实验方法：IGBT模块安装于水冷散热器，散热器能力足以耗散该模块全工况范围内的功耗。恒压源V_G为15V，使IGBT处于完全导通状态。实验过程中，电压、电流实时采集系统实时对IGBT集射极两端压降与流过集电极的电流进行积分得到IGBT器件的功率损耗，作为IGBT传热网络模型的功率单元输入；高速热电偶实时采集散热器温度变化，作为IGBT传热网络模型的散热器单元输入。

(1)适用于器件级与组件级热仿真的IGBT传热数学模型实验验证：

对于器件级热仿真，要求IGBT传热模型能够对芯片结温的运行规律进行精确仿真，主要包括开关过程、上升下降时间等。对于组件级热仿真，要求IGBT传热模型能够对芯片结温运行规律进行仿真，但相对于器件级仿真来说，仿真精度降低、仿真速度提高。因此，在恒定电流10A、30A、50A工况下，对单周期内模型仿真结温运行规律进行了实验验证。不同电流下，实验测试过程中电压、电流实时采集系统对集射极饱和压降与集电极电流积分所得功耗，如图12a所示，IGBT芯片下方散热器温度采集，如图12b所示。

采用所建立的适用于器件级热仿真的IGBT传热理论七阶模型，如图4与式(5)所示，与所建立的适用于组件级热仿真的IGBT传热理论三阶模型，如图6与式(7)所示，将图12a功率损耗乘以效率百分比作为模型功率单元输入，图12b散热器温度作为模型散热器单元输入进行仿真，仿真结果与实验过程中红外热像仪探测芯片平均温度对比，如图13a、13b、13c所示。

通过图13a、13b、13c可以看出，不同电流工况下，所建立的适用于器件级热仿真的IGBT传热模型仿真与实验结果吻合良好，验证了模型的正确性与准确性。器件级模型是依据器件结构建立的完整的七阶传热模型，所以仿真与实验结果一致性较高。但由于实验采用的恒定可调电流源量程为0～875A，精度为±450mA，所以仿真与实验结果存在一定误差。通过图13a可以看出，电流10A时，稳态结温仿真结果高于实验结果，即电流源输出电流小于10A；通过图13c可以看出，电流50A时，稳态结温实验结果高于仿真结果，即电流源输出电流大于50A。组件级模型是在器件级模型基础上，忽略上下焊料层与上下铜层的热容建立的三阶传热模型，所以该模型仿真开关瞬态过程与实验吻合度较器件级模型低，但通过仿真与实验波形对比，很难看出差别，通过上述对器件、组件、装置级模型仿真对比即可清楚掌握不同等级模型之间的区别。

适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型实验验证：

对于装置级热仿真，只要求IGBT传热模型能够对其最高结温进行仿真，对其开关过程不予关注。因此，在与器件级模型验证相同的实验测试条件，在导通电流10A、20A、30A、40A、50A工况下，对其达到稳态之后的最高结温进行了实验验证，实验结果与误差分析，如图14a和14b所示。

通过图14a和14b可以看出，不同电流工况下，所建立的适用于装置级热仿真的IGBT传热模型仿真与实验结果吻合良好，验证了模型的正确性与准确性。装置级模型是在组件级模型基础上，采用自然解耦的方法建立的一阶传热模型，其开关瞬态过程精度会降低，但其达到稳态之后的最高结温由结壳热阻决定，所以达到稳态之后的最高结温仿真精度不会降低，如图14b误差分析，满足装置级仿真的需求。

模型仿真规律对比：

采用所建立的经过实验验证的适用于器件级热仿真的IGBT传热模型，对IGBT器件的结温及各层温度运行规律进行了仿真分析。仿真条件，脉冲功率幅值500W，周期1m，占空比1/2，壳温25℃，仿真时长30s。仿真结果，如图15所示。

通过图15可以看出，适用于器件级热仿真的IGBT传热模型，可以对IGBT模块芯片结温及各层温度进行仿真。并且芯片至基板温度逐渐降低，温度波动逐渐减小。由于DBC陶瓷层热阻最大，所以DBC层与下铜层温差最大。因此，通过该模型仿真结果可以掌握IGBT模块封装结构垂直方向上各层温度分布。

采用所建立的经过实验验证的适用于器件到装置级热仿真的IGBT传热模型进行了仿真对比分析。仿真条件，脉冲功率幅值200W，周期30s，占空比1/2，壳温25℃，仿真时长60s。仿真结果与误差分析，如图16a和16b所示。

通过图16a和16b可以看出，适用于器件、组件和装置级热仿真的IGBT传热模型仿真结果基本吻合，满足精度要求。其中，开关瞬态过程误差最大，且装置级与器件级模型误差最大，最大误差占最高结温的3.13％。这主要是由于结温达到稳态之前，层与层之间存在相互作用与制约的动力学作用效应，而装置级模型主要关注达到稳态之后的最高结温，对瞬态过程关注度较小，所以将其自然解耦，如图10所示，将层与层之间的相互作用与制约忽略，导致结温上升和下降过程中与完整的器件级模型存在一定误差。

模型仿真效率对比：

统一在saber仿真环境下，搭建起传热模型效率仿真平台，对所建立的经过实验验证的适用于器件级的七阶网络模型、适用于组件级的三阶网络模型与适用于装置级的一阶网络模型效率进行了仿真分析。

仿真条件：驱动信号，交流控制参考信号幅值1.0V，交流控制参考信号频率60Hz，幅值调制比0.8，频率调制比15，死区时间1μs；外界条件，母线电压300V，负载电阻为10Ω；仿真环境，仿真时长0.5s，步长10ns。

在上述仿真条件下，传热模型效率仿真平台分别搭载七阶、三阶与一阶传热网络模型所得仿真效率对比，如表2所示。效率提升计算方法，装置级、组件级与器件级仿真模型在相同的仿真时长下仿真耗时之差除以器件级模型仿真耗时，如式(9)所示。其中，Eff_up为仿真效率提升百分比，T_{C_D}、T_{C_M}、T_{C_E}分别为器件级、组件级与装置级仿真模型耗时。

${\mathrm{Eff}}_{up}=\frac{T_{C\_D}-T_{C\_M}{\mathrm{orT}}_{C\_E}}{T_{C\_D}}\×100\%---\left(9\right)$

表2适用于器件到装置级热仿真的IGBT传热模型效率对比表

适用等级	器件级	组件级	装置级
				仿真时长(s)	50m	50m	50m
仿真耗时(s)	0.842	0.749	0.686
				效率提升(％)	——	11.0％	18.5％

通过表2可以看出，组件级传热网络模型与器件级相比，效率提升了11.0％，装置级传热网络模型与器件级相比，效率提升了18.5％。因此，所建立的适用于器件到装置级热仿真的IGBT传热网络模型，效率得到了较大提升，适应了器件到装置不同等级下热仿真的不同需求。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种IGBT传热多时间尺度模型建模方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：基于经典Cauer传热RC网络结构与传热理论，通过建立IGBT器件的Cauer热网络结构，并对IGBT器件的Cauer热网络结构进行Laplace变换与反变换，建立适用于器件级热仿真的IGBT传热模型；

步骤2：对步骤1所建立的适用于器件级热仿真的IGBT传热模型，采用基于传热网络的运行特征，通过建立多层热网络模型的简化方法，对适用于器件级热仿真的IGBT传热模型进行简化，建立适用于组件级热仿真的IGBT传热模型；

步骤3：对步骤2所建立的适用于组件级热仿真的IGBT传热模型，采用自然解耦的方法，得到IGBT传热动力学作用机理与互动机制，通过研究多层传热网络结构的动力学作用特性，得出结温达到稳态之后，动力学作用效应消失，动力学作用分量为0的结论，采用3层网络自然解耦之后的加合量来表征结温变化规律，建立了表征传热动力学作用分量的方法，进而，建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型；

步骤4：基于器件到装置对IGBT传热模型的不同需求，依据器件封装结构各层时间常数的不同时间尺度，根据上述适用于器件级热仿真的IGBT传热模型、适用于组件级热仿真的IGBT传热模型和适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型，建立IGBT传热模型多时间尺度建模。

2.根据权利要求1所述的IGBT传热多时间尺度模型建模方法，其特征在于：所述步骤1中的经典Cauer传热RC网络结构的表达式为：

公式1中，R_n为Cauer热网络结构第n层热阻，n取正数，C_n为第n层热容，n取正数，s为由时域t进行laplace变换到频域后的复数变量，P_n(s)与P_n′(s)为第n个节点处热容与热阻支路功率流P_n(t)与P_n′(t)的laplace变换结果，P_in(s)为IGBT功率损耗P_in(t)的laplace变换结果，T_j(s)为IGBT芯片结温T_j(t)的laplace变换结果，T_c(s)为IGBT模块壳温T_c(t)的laplace变换结果。

3.根据权利要求2所述的IGBT传热多时间尺度模型建模方法，其特征在于：对经典Cauer传热RC网络结构的表达式进行反拉普拉斯变换即可求出芯片结温及以下各层的温度，如式(2)与式(3)所示；

P_n(t)…P₁(t)，P_n'(t)…P₁'(t)，T_j(t)＝f(C_n…C₁，R_n…R₁，P_in(t)，T_c(t)) (2)

公式2和3中，T_n(t)为Cauer热网络结构第n层温度，n取正数，R_n为Cauer热网络结构第n层热阻，C_n为第n层热容，P_n′(t)为第n个节点处热阻支路功率流，P_n(t)为第n个节点处热容支路功率流，P_in(t)为IGBT功率损耗，T_j(t)为IGBT芯片结温，T_c(t)为IGBT模块壳温；

根据经典Cauer传热RC网络结构以及公式2和公式3，建立完整的七阶IGBT传热网络结构模型；

对完整的七阶IGBT传热网络结构模型进行拉普拉斯变化与反变换，即可求出芯片结温及以下封装各层的温度，如式(4)与式(5)所示，即适用于器件级热仿真的IGBT传热模型；

P₇(t)…P₁(t)，P₇'(t)…P₁'(t)，T_j(t)＝f(C₇…C₁，R₇…R₁，P_in(t)，T_c(t)) (4)

$\left[\begin{array}{c}{T}_7\left(t\right)\\ T_6\left(t\right)\\ T_5\left(t\right)\\ T_4\left(t\right)\\ T_3\left(t\right)\\ T_2\left(t\right)\\ T_1\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccccc}{P_7}^{\′}\left(t\right)& {P_6}^{\′}\left(t\right)& {P_5}^{\′}\left(t\right)& {P_4}^{\′}\left(t\right)& {P_3}^{\′}\left(t\right)& {P_2}^{\′}\left(t\right)& {P_1}^{\′}\left(t\right)\\ 0& {P_6}^{\′}\left(t\right)& {P_5}^{\′}\left(t\right)& {P_4}^{\′}\left(t\right)& {P_3}^{\′}\left(t\right)& {P_2}^{\′}\left(t\right)& {P_1}^{\′}\left(t\right)\\ 0& 0& {P_5}^{\′}\left(t\right)& {P_4}^{\′}\left(t\right)& {P_3}^{\′}\left(t\right)& {P_2}^{\′}\left(t\right)& {P_1}^{\′}\left(t\right)\\ 0& 0& 0& {P_4}^{\′}\left(t\right)& {P_3}^{\′}\left(t\right)& {P_2}^{\′}\left(t\right)& {P_1}^{\′}\left(t\right)\\ 0& 0& 0& 0& {P_3}^{\′}\left(t\right)& {P_2}^{\′}\left(t\right)& {P_1}^{\′}\left(t\right)\\ 0& 0& 0& 0& 0& {P_2}^{\′}\left(t\right)& {P_1}^{\′}\left(t\right)\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& {P_1}^{\′}\left(t\right)\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{R}_7\\ R_6\\ R_5\\ R_4\\ R_3\\ R_2\\ R_1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{T}_c\left(t\right)\\ T_c\left(t\right)\\ T_c\left(t\right)\\ T_c\left(t\right)\\ T_c\left(t\right)\\ T_c\left(t\right)\\ T_c\left(t\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

公式4和5中，P₇(t)…P₁(t)为第7～第1个节点处热容支路功率流，P₇'(t)…P₁'(t)为第7～第1个节点处热阻支路功率流，C₇…C₁为第7层热容～第1层热容，R₇…R₁为Cauer热网络结构第7层热阻～第1层热阻，P_in(t)为IGBT功率损耗，T_c(t)为IGBT模块壳温，T₇(t)～T₁(t)为Cauer热网络结构第7层温度～第1层温度。

4.根据权利要求3所述的IGBT传热多时间尺度模型建模方法，其特征在于：所述步骤2，通过建立多层热网络模型的简化方法，对适用于器件级热仿真的IGBT传热模型进行简化，将IGBT模块七阶Cauer热网络模型简化为三阶Cauer热网络模型；

对三阶Cauer热网络模型进行拉普拉斯变换与反变换，求出芯片结温与各等效层温度，如式(6)与式(7)所示，即适用于组件级热仿真的IGBT传热模型；

P₃(t)…P₁(t)，P₃'(t)…P₁'(t)，T_j(t)＝f(C₃…C₁，R₃…R₁，P_in(t)，T_c(t)) (6)

$\left[\begin{array}{c}{T}_3\left(t\right)\\ T_2\left(t\right)\\ T_1\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{P_3}^{\′}\left(t\right)& {P_2}^{\′}\left(t\right)& {P_1}^{\′}\left(t\right)\\ 0& {P_2}^{\′}\left(t\right)& {P_1}^{\′}\left(t\right)\\ 0& 0& {P_1}^{\′}\left(t\right)\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{R}_7+R_6+R_5\\ R_4+R_3+R_2\\ R_1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{T}_C\left(t\right)\\ T_C\left(t\right)\\ T_C\left(t\right)\end{array}\right]---\left(7\right)$

P₃(t)…P₁(t)为第3～第1个节点处热容支路功率流，P₃'(t)…P₁'(t)为第3～第1个节点处热阻支路功率流，T_j(t)为IGBT芯片结温，C₃…C₁为第3层热容～第1层热容，R₃～R₁为Cauer热网络结构第3层热阻～第1层热阻，P_in(t)为IGBT功率损耗,T_c(t)为IGBT模块壳温，T₃(t)～T₁(t)为Cauer热网络结构第3层温度～第1层温度，R₇…R₁为Cauer热网络结构第7层热阻～第1层热阻。

5.根据权利要求4所述的IGBT传热多时间尺度模型建模方法，其特征在于：对步骤2所建立的适用于组件级热仿真的IGBT传热模型，采用3层网络自然解耦之后的加合量来表征结温变化规律，建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热一阶模型，对适用于装置级热仿真的IGBT传热一阶模型进行拉普拉斯变换与反变换，即可求出芯片结温，如式(8)所示，即适用于装置级热仿真的IGBT传热模型；

$T_j\left(t\right)=P_{in}\left(t\right)\·\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{R_i}^{\′}\·(1-e^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_i}})+T_c\left(t\right)---\left(8\right)$

式中，R_i′为N层Cauer热网络结构自然解耦之后的第n层热阻，τ_i为Cauer热网络结构第n层时间常数，T_j(t)为IGBT芯片结温，P_in(t)为IGBT功率损耗，t为IGBT导通时间，T_c(t)为IGBT模块壳温，e为自然常数。