CN106407608A - 一种考虑热耦合的压接igbt模块稳态结温预测模型 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种考虑热耦合的参数自适应的大功率压接IGBT模块的稳态结温预测模型及其参数提取方法。针对高功率密度压接IGBT模块内芯片发热相互影响不可忽略的问题及其双面散热特性，基于三维模型的温度场分析和基本电路理论，给出了建立压接IGBT模块考虑热耦合及散热器的稳态等效热阻网络模型的方法，以用于芯片结温的预测。本发明模型的参数根据不同散热条件进行修正，对不同工况和散热器流量具有普遍适用性，且利用模型对应的等效热耦合矩阵元素定量分析热耦合影响因素，同时为器件厂家提供给用户的模型参数一个新的思路。

Description

一种考虑热耦合的压接IGBT模块稳态结温预测模型

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种考虑热耦合的压接IGBT模块稳态结温预测模型。

背景技术

基于绝缘栅双极型晶体管IGBT的电压源换流器已在直流输电系统中得到广泛应用。作为直流输电系统中能量转换的关键设备，电压源换流器是影响其运行安全性和可靠性的重要环节。IGBT模块的结温一方面结温影响器件的特性及寿命，另一方面模块内部的热均衡对提高其使用容量和效率有重要意义。然而，其结温却很难通过实验手段直接测量。一种普遍认可的方法是建立其等效热路模型，与电气系统实现快速的电热联合仿真以预测不同工况下芯片结温。

相对传统焊接IGBT，压接型IGBT模块由于其双面散热、短路失效、高可靠性等优良特性，对更大容量的柔直换流器有着良好的应用前景。但同时采用多芯片紧凑布置使模块内芯片间相互的发热影响比焊接IGBT已成为一个不容忽略的问题，双面散热的特点使得IGBT模块至散热器的散热路径更为复杂，散热器流量等参数对IGBT等效热模型参数的影响也成为了新的问题。而传统应用厂家数据手册IGBT或Diode芯片相互独立测试的稳态热阻或瞬态热阻抗曲线建立的等效热路模型不能反映二极管与IGBT芯片间的发热影响，结温估值偏低；传统基于有限元仿真温度场分析提取等效热路模型的方法没有考虑散热器影响，结温误差较大，且不能反映实际工程中散热条件的改变。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种考虑热耦合的压接IGBT模块稳态结温预测模型，其特征在于，包括：

步骤一：获取压接型IGBT模块及其散热器的物理结构及材料参数，包括IGBT模块内部各材料层尺寸、材料导热系数λ、材料比热容C_p、材料密度ρ及厂家数据手册的瞬态热阻抗曲线，散热器流道结构、冷却媒质的物理特性；

步骤二：基于有限元仿真软件建立IGBT模块、散热器的三维仿真模型；

步骤三：获取考虑热耦合的等效热阻抗矩阵及其参数，包括热耦合等效热阻矩阵R_ETC形式及其结温计算矩阵式，自热阻R_ii、互热阻R_ij定义式，温度参考点选取，热源逐一独立作用获取矩阵元素的方法；

步骤四：计算热耦合等效热阻矩阵参数，包括固有热阻矩阵R₀与附加热阻矩阵R_Q；

步骤五：基于热耦合等效热阻矩阵R_ETC等效变换及芯片功比-结温曲线建立等效热阻网络模型。

压接IGBT模块与散热器的系统结温由下式得到：

其中，T_i为芯片i的结温，P_i为芯片i的功率损耗，i＝1,2,…,n，n为芯片的总数量，T_ref为参考点温度,热耦合等效电路对应的热阻矩阵i≠j时，R_ij为芯片i的自热阻Rii和芯片i与芯片j的耦合热阻即互热阻，j＝1,2,…,n，T_j为芯片j的结温，P_j为芯片j的功率损耗；i＝j时，R_ij即R_ii为芯片i的自热阻，计算得到矩阵R全部元素。

所述热耦合等效热阻阵R_ETC为一个不随散热器流量变化的固有热阻矩阵R₀与一个由散热器流量决定的附加热阻矩阵R_Q之和：

R_ETC＝R₀+R_Q

对流换热热阻R_conv与流量Q关系满足R_conv∝Q^-0.747，则附加热阻矩阵R_Q与流量Q的关系为R_Q＝R_Q0·Q^-0.747；

其中，R₀、R_Q0均为恒定矩阵，仅与IGBT和散热器的固体材料和几何结构有关，由任意两个流量下R_ETC对矩各元素以Q^-0.747为变量进行线性拟合，分别将一次项系数和常数项作为附加热阻矩阵的系数矩阵R_Q0和固有热阻矩阵R₀的对应元素得到。

所述基于热耦合等效热阻矩阵R_ETC等效变换及芯片功比-结温曲线建立等效热阻网络模型的过程为

设共有m个二极管芯片和n-m个IGBT芯片，n为芯片的总数量，则在芯片按类型编号后将结温计算矩阵式重排分块，将R_ETC化为n×2阶矩阵其中R_{0_i′j′}为R₀中的第i′行第j′列的元素；R_{Q0_i′j′}为R_Q0中的第i′行第j′列的元素；

则P_D为二极管芯片的总功率损耗；P_T为IGBT芯片的总功率损耗；

结合由矩阵得到的芯片功比-结温曲线，得出不同功比下同类芯片中最大结温对应的芯片，设最高结温IGBT芯片为芯片k，最高结温二极管芯片为芯片h，n×2矩阵进一步化为最简等效热阻矩阵R_2×2，并对应得到等效热阻网络模型为：

其中,R_kD为所有二极管芯片对最高结温的二极管的总热阻；R_kT为所有IGBT芯片对最高结温的二极管的总热阻；R_hD为所有二极管芯片对最高结温的IGBT的总热阻；R_hT为所有IGBT芯片对最高结温的IGBT的总热阻；T_D表示最高结温的Diode芯片、T_T表示最高结温的IGBT芯片。

有益效果

本发明公开的一种考虑热耦合的参数自适应的大功率压接IGBT模块的稳态结温预测模型及其参数提取方法。针对高功率密度压接IGBT模块内芯片发热相互影响不可忽略的问题及其双面散热特性，基于三维模型的温度场分析和基本电路理论，给出了建立压接IGBT模块考虑热耦合及散热器的稳态等效热阻网络的方法，以用于芯片结温的预测。其模型参数根据不同散热条件进行修正，对不同工况和散热器流量具有普遍适用性，且利用模型对应的等效热耦合矩阵元素可定量分析热耦合影响因素，为改进等效热RC网络模型、及IGBT功率模块、散热器的优化设计提供相关依据，同时为压接IGBT器件厂家提供给用户的模型参数一个新的思路。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为某IGBT模块与其配套散热器结构示意图；

图3为有限元模型瞬态热阻抗曲线与数据手册结果对比(IGBT芯片)；

图4为等效热阻矩阵元素随流量变化；

图5为不同IGBT、二极管芯片功率损耗比下结温分布；

图6为改进等效热阻矩阵对应热阻网络的简化模型。

图7a为芯片间自互热阻随凸台高度变化图，图7b为热耦合度随凸台高度变化图；

图8为研究芯片布局的仿真模型俯视图；

图9a为芯片间自互热阻随芯片间距变化图，图9b为芯片2对1的热耦合度随芯片间距变化图；

图10a为芯片间自、互热阻随芯片位置变化图，图10b为芯片2对1的热耦合度随芯片位置变化图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。本发明提出了一种考虑热耦合的压接IGBT模块稳态结温预测模型。图1为本发明所述方法的流程框图，具体实施步骤如下：

步骤一：获取压接型IGBT模块及其散热器的物理结构及材料参数，如表1与图2所示；

表1 IGBT模块T0360NB25A材料参数

步骤二：基于有限元仿真软件，建立IGBT模块三维仿真模型，并进一步得到IGBT模块与散热器的三维整体仿真模型；

对模型做以下简化：1)陶瓷管壳导热率较小且模块内一般充有惰性气体，可认为各材料层侧面绝热，热量仅通过基板向外传递；2)芯片、上下钼片和阴、阳电极之间都是通过压力直接连接，模块的内部热阻除了各层材料的热阻之外还包括各部件之间的接触热阻，本模型以芯片两侧的等效接触热阻层来模拟该接触热阻的作用，材料参数通过实验曲线分析得出。确定合适的接触热阻层材料后对比，有限元仿真模型得到的瞬态热阻抗曲线与厂家的测量曲线以确定模型的准确性，如图3所示。瞬态热阻抗Z_j-c定义式，

其中每一时刻T_j取几个IGBT(或二极管)芯片结温中的最大值，T_c为壳温最大值，P为几个IGBT(或二极管)芯片总损耗。

在上述IGBT模型的基础上，使水冷散热器上下表面与IGBT上下基板直接连接，建立模块、散热器的整体仿真模型。以某MMC-HVDC系统整流工况下某子模块为例，设置模块内每只二极管芯片功率损耗为65W，每只IGBT芯片功率损耗为2W，分别在IGBT芯片或二极管芯片上施加相应阶跃热功率，入水口为定流速、温度控制，水流量为2L/min，入水口水温70℃，出水口为定压力控制，冷却水与散热器固体以能量守恒为约束条件建立固-液耦合。

步骤三：获取考虑热耦合的等效热阻抗矩阵及其参数的一般性方法；

以有限元温度场仿真结果为依据，分别以7个芯片为热源单独作用，以散热器入水口为温度参考点，按照自热阻、互热阻定义式，整体提取IGBT模块和散热器的热耦合等效热阻矩阵[R]_ETC。然后可根据矩阵[R]_ETC和各芯片实际功率损耗[P]，根据矩阵计算式得到特定散热器流量下的各芯片结温。

其中，T_i为芯片i的结温，P_i为芯片i的功率损耗，i＝1,2,…,n，n为芯片的总数量，T_ref为参考点温度,热耦合等效电路对应的热阻矩阵

i≠j时，Rij为芯片i的自热阻Rii和芯片i与芯片j的耦合热阻即互热阻，j＝1,2,…,n，T_j为芯片j的结温，P_j为芯片j的功率损耗；i＝j时，R_ij即R_ii为芯片i的自热阻，计算得到矩阵R全部元素；

步骤四：改进的热耦合等效热阻矩阵参数获取，包括固有热阻矩阵[R₀]与附加热阻矩阵[R_Q]；

在步骤三的基础上仿真得到任意两个流量下的等效热耦合阵R_ETC，对矩各元素以Q^-0.747为变量进行线性拟合，分别将一次项系数和常数项作为附加热阻矩阵R_Q0和固有热阻矩阵R₀的对应元素最终得到参数随流量自适应的改进的热耦合等效热阻矩阵，根据矩阵计算式得到特定散热器流量下的各芯片结温。

R_ETC＝R₀+R_Q

表2对比了不同方法计算该实例中模块内芯片结温的结果，已说明本发明的优越性。

表2 不同等效模型计算芯片结温温升对比(℃)

注：误差为各算法计算结温温升值与有限元仿真结温温升值的误差

步骤五：建立等效热阻网络，基于热耦合等效热阻矩阵[R]_ETC等效变换及芯片功比-结温曲线；

分析压接IGBT模块的特点，可知同类芯片(IGBT或二极管芯片)的驱动信号相同，不考虑由杂散参数引起的芯片均流问题，则同类芯片的功率损耗相同。在芯片按类型编号后，可重排分块矩阵得到下式，

因为P₁＝P₂＝P_D、P₃＝…＝P₇＝P_T，可将R₁₁—R₁₂、R₁₃—R₁₇合并为R_1D、R_1T，其他参数同理可得。则等效热阻矩阵可化为7×2的矩阵，得到下式，

根据图5给出了总损耗一定，不同功率损耗比下各芯结温变化。可以得出不同功比时最大结温对应的芯片。如当P_IGBT小于P_Diode时，最大结温对应芯片为T₅和D₂，则7×2矩阵可进一步化为[R]_{IGBT-h_2×2}。

[R]_{IGBT-h_2×2}对应等效热阻网络模型见图6。

基于热耦合等效热阻矩阵[R]_ETC的热耦合影响因素分析。

热耦合等效模型不仅可预测芯片结温，其对应矩阵元素还可以用于热耦合定性分析。热耦合度Th_couple(％)_j-i表征了对芯片i，以自身发热引起的温升为基准，芯片j热功率对其造成的温升大小；

其中，R_ij·、R_ii·分别为等效热耦合阵的互热阻和自热阻，P_i、P_j为芯片j、i的功率损耗。除相应影响因素为单一变量外，芯片的功率比默认为1。

对压接IGBT模块封装结构影响的分析、芯片功率损耗比的影响、水冷散热器流量影响等因素。

(1)凸台高度的影响

以凸台高度为单一变量更改三维仿真模型几何参数，使其在4.2mm至12.6mm范围变化。以芯片1、芯片2为例分析凸台高度对芯片间热耦合作用的影响如图7所示。图7a为芯片间自互热阻随凸台高度变化，图7b为热耦合度随凸台高度变化，芯片1的自热阻、芯片2对1的互热阻及热耦合度均随着凸台高度的增加而呈近似线性增加。这说明，1)凸台高度的增加使模块内热阻整体增加，不利于模块内热量的散失；2)凸台高度越高芯片间热耦合程度越大，即其他芯片对本芯片的热影响越显著，在各芯片自热阻存在差异的情况下可利用该特性做热的均衡设计；3)由于互热阻所占比例的增大，单位距离凸台高度的增加会使总热阻增量变大。因此，在保证足够外绝缘的基础上应尽量减小凸台的设计高度。

(2)芯片布置影响

图8为研究芯片布局的仿真模型俯视图，为了研究芯片布局对热耦合影响，仅保留仿真模型芯片1、2对应的凸台及其他材料层。将芯片2置于基板中心，沿轴向移动芯片1以改变两芯片间距d(变化范围13.5mm-18.5mm)，保持芯片中心距14mm，将两芯片整体沿轴向平移距离L(变化范围0mm-12mm)，以研究布置位置对芯片间热耦合的影响。

图9a为芯片间自互热阻随芯片间距变化图，图9b为芯片2对1的热耦合度随芯片间距变化图，随着芯片间距的增加，芯片2对1的互热阻及热耦合度呈减小趋势，但变化幅度较小。这说明芯片间距对模块内热阻和芯片间热耦合程度的的影响较小，而实际设计中为控制模块的体积芯片间距变化范围既有限，因此可忽略该因素的影响。图10a为芯片间自、互热阻随芯片位置变化图，图10b为芯片2对1的热耦合度随芯片位置变化图，随着芯片从基板中心位置向边缘偏移，芯片的自热阻、芯片2对1的互热阻均随之增加，芯片2对1的热耦合度基本不变。这说明越边缘的芯片热阻越大，但相对位置一定的两芯片，一芯片对另一芯片温升的贡献程度仅取决于其功率比。

Claims (4)

1.一种考虑热耦合的压接IGBT模块稳态结温预测模型，其特征在于，包括：

步骤一：获取压接型IGBT模块及其散热器的物理结构及材料参数，包括IGBT模块内部各材料层尺寸、材料导热系数λ、材料比热容C_p、材料密度ρ及厂家数据手册的瞬态热阻抗曲线，散热器流道结构、冷却媒质的物理特性；

步骤二：基于有限元仿真软件建立IGBT模块、散热器的三维仿真模型；

步骤三：获取考虑热耦合的等效热阻抗矩阵及其参数，包括热耦合等效热阻矩阵R_ETC形式及其结温计算矩阵式，自热阻R_ii、互热阻R_ij定义式，温度参考点选取，热源逐一独立作用获取矩阵元素的方法；

步骤四：计算热耦合等效热阻矩阵参数，包括固有热阻矩阵R₀与附加热阻矩阵R_Q；

步骤五：基于热耦合等效热阻矩阵R_ETC等效变换及芯片功比-结温曲线建立等效热阻网络模型。

2.根据权利要求1所述的一种考虑热耦合的压接IGBT模块稳态结温预测模型，其特征在于，压接IGBT模块与散热器的系统结温由下式得到：

其中，T_i为芯片i的结温，P_i为芯片i的功率损耗，i＝1,2,…,n，n为芯片的总数量，T_ref为参考点温度,热耦合等效电路对应的热阻矩阵i≠j时，R_ij为芯片i的自热阻R_ii和芯片i与芯片j的耦合热阻即互热阻，j＝1,2,…,n，T_j为芯片j的结温，P_j为芯片j的功率损耗；i＝j时，R_ij即R_ii为芯片i的自热阻，计算得到矩阵R全部元素。

3.根据权利要求2所述的一种考虑热耦合的压接IGBT模块稳态结温预测模型，其特征在于，所述热耦合等效热阻阵R_ETC为一个不随散热器流量变化的固有热阻矩阵R₀与一个由散热器流量决定的附加热阻矩阵R_Q之和：

R_ETC＝R₀+R_Q

对流换热热阻R_conv与流量Q关系满足R_conv∝Q^-0.747，则附加热阻矩阵R_Q与流量Q的关系为R_Q＝R_Q0·Q^-0.747；

其中，R₀、R_Q0均为恒定矩阵，仅与IGBT和散热器的固体材料和几何结构有关，由任意两个流量下R_ETC对矩各元素以Q^-0.747为变量进行线性拟合，分别将一次项系数和常数项作为附加热阻矩阵的系数矩阵R_Q0和固有热阻矩阵R₀的对应元素得到。

4.根据权利要求3所述的一种考虑热耦合的压接IGBT模块稳态结温预测模型，其特征在于，所述基于热耦合等效热阻矩阵R_ETC等效变换及芯片功比-结温曲线建立等效热阻网络模型的过程为

设共有m个二极管芯片和n-m个IGBT芯片，n为芯片的总数量，则在芯片按类型编号后将结温计算矩阵式重排分块，将R_ETC化为n×2阶矩阵其中i′＝1,2,…,n，R_{0_i′j′}为R₀中的第i′行第j′列的元素；R_{Q0_i′j′}为R_Q0中的第i′行第j′列的元素；

则P_D为二极管芯片的总功率损耗；P_T为IGBT芯片的总功率损耗；

结合由矩阵得到的芯片功比-结温曲线，得出不同功比下同类芯片中最大结温对应的芯片，设最高结温IGBT芯片为芯片k，最高结温二极管芯片为芯片h，n×2矩阵进一步化为最简等效热阻矩阵R_2×2，并对应得到等效热阻网络模型为：

$\left[\begin{array}{c}{T}_D\\ T_T\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_{kD}& R_{kT}\\ R_{hD}& R_{hT}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{P}_D\\ P_T\end{array}\right]+T_{ref};$

其中,R_kD为所有二极管芯片对最高结温的二极管的总热阻；R_kT为所有IGBT芯片对最高结温的二极管的总热阻；R_hD为所有二极管芯片对最高结温的IGBT的总热阻；R_hT为所有IGBT芯片对最高结温的IGBT的总热阻；T_D表示最高结温的Diode芯片、T_T表示最高结温的IGBT芯片。