CN106960085A - 一种在线预估igbt元件结温的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线预估IGBT元件结温的方法，包括：S1.构建有限体积模型；S2.根据有限体积模型计算温度场分布和表面换热系数分布；S3.构建有限元模型，将表面换热系数分布映射到有限元模型；S4.根据预先确定的温度预测目标和温度监测点，依次对每个温度预测目标进行瞬态温度场计算，得到温度预测目标的温度和温度监测点的温度随时间变化数据曲线；S5.对数据曲线进行拟合，得到温度监测点的温升值和温度预测目标的温升值之间的传递函数；S6.测量温度监测点的实际温度值和环境温度值，通过传递函数计算温度预测目标的温升值，并计算得到温度预测目标的温度值。具有不需要损坏元件的完整性，预测速度快、准确性高等优点。

Description

一种在线预估IGBT元件结温的方法

技术领域

本发明涉及一种IGBT温度检测领域，尤其涉及一种可用于轨道交通、风力发电和电动汽车等行业的IGBT变流器的在线预估IGBT元件结温的方法。

背景技术

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)结合了MOSFET和双极型晶体管的优点，在较高频率的大、中功率应用中占据主导地位，是目前轨道交通车辆牵引变流器、风力发电变流器、电动汽车电机控制器等应用中的核心器件。IGBT元件的失效会导致车辆的停止运行、风机脱网等故障，进而造成一定的经济损失和不良社会影响，因此IGBT元件的可靠性问题尤为重要。根据众多研究与文献表明，IGBT元件的失效主要表现为与封装有关的失效和与芯片有关的失效，原因主要有：1、IGBT元件封装中各层材料热膨胀系数不一致，各层材料在长期热循环冲击下发生疲劳失效，导致铝键合线断裂或脱落和焊料层开裂；2、芯片在高温下发生栅极氧化层损坏和金属化重构。半导体厂家和部分文献总结了IGBT元件寿命预测模型，描述为工作到失效的循环次数与芯片温升的函数关系，由此可见结温测量的必要性。

目前针对IGBT元件结温的测量方法，国内外文献主要从IGBT元件的某些物理特征对结温的敏感性入手，建立物理特征量与结温的对应关系来测量结温，方法大致为以下4种。

1、物理接触法，直接将热敏电阻或热电偶接触IGBT芯片表面来测量结温。优点：简单直接，多点测量时可反映二维温度分布。缺点：需要接触测量；易受封装材料干扰；响应时间长；需附加测量设备；需改变封装或直接将器件开封；模块内部空间布局有限。有部分半导体厂家在芯片附近布置了负温度系数热敏电阻器(NTC)，因NTC离芯片有一定的距离，测量的温度并不能真实反映芯片的温度。

2、光学法，光纤测温是利用光照到芯片表面的反射系数与芯片结温相关的特性来测量结温的，红外摄像是利用芯片自然辐射的红外射线光谱与结温存在函数关系来测量结温的。优点：非接触式测量；迅速反映结温变化；空间分辨率高；能从多点测量中反映芯片表面的二维温度分布。缺点：需要将塑封外壳和硅凝胶去除才能较为准确测量芯片温度；整套设备价格昂贵。

3、温敏参数法，利用IGBT元件的饱和压降、门极开通延时时间、电流变化率、电压变化率等温度敏感参数与结温之间的关系，通过测量温度敏感参数来推算结温。优点：只需测量模块外部电参量，不需改变模块封装，测量简单且实验室条件下精度较高。缺点：测量饱和压降需要在通极小电流情况下进行，测量门极开通延时需要采样频率为纳秒级的采样设备，测量电流变化率时加入测量用的互感器会增加IGBT元件寄生电感参数，测量电压变化率时加入测量用的电容会增大杂散电容参数等，容易引起测量过程中的事故，很难实现在线测量。

4、热网络法，利用IGBT元件的功率损耗和结到壳的热阻抗，以及温度传感器测得的壳温，根据数学计算公式得到芯片结温。优点：无需拆开封装对芯片进行测量，测量方法简单，可实现壳温在线测量进而计算出结温。缺点：IGBT元件内部除了IGBT芯片以外还有反并联二极管芯片，而且大功率元件有半桥、全桥、三相桥等封装形式，各芯片均与元件基板相连，各芯片之间存在热耦合，同一散热器上安装多个IGBT元件也会有热耦合，热耦合的参数很难得到，计算结温需要知道芯片损耗和壳温，且计算出的结温是一个虚拟的平均结温。IGBT元件焊料层老化后，热网络参数会发生变化，继续使用原来的热参数进行结温计算将产生较大误差。

轨道交通车辆牵引变流器、风力发电变流器、电动汽车电机控制器等应用中，多个IGBT元件安装在散热器上，与驱动电路、保护电路、电容、传感器、母排等组成变流器模块，由于现场的运行环境非常恶劣，比如高压、大电流、高温、潮湿、灰尘、紧凑空间等，不可能将IGBT元件的塑封外壳和硅凝胶等去除后进行芯片温度的测量。IGBT元件在工作过程中的工况经常发生变化，单纯依靠稳定状态的结温来评估变流器的稳定运行，是无法及时准确评价IGBT元件的安全应用、寿命与可靠性的。现有IGBT元件结温在线测量或预估的方法中，很难同时兼顾IGBT元件完整性和结温准确性的问题。为了及时将结温值反馈给保护电路，避免IGBT元件因结温超限而损坏，及时了解IGBT元件的结温波动水平，有效评估元件的状态，研究不损坏IGBT元件完整性且在线测量或预估结温的方法，具有非常重大的工程价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种不损坏IGBT元件完整性，能够快速、准确、可靠的在线预估IGBT元件结温的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种在线预估IGBT元件结温的方法，包括如下步骤：

S1.构建包含IGBT元件和散热器的有限体积模型；

S2.根据所述有限体积模型进行稳态流场和温度场计算，得到温度场分布和表面换热系数分布；

S3.构建包含IGBT元件和散热器的有限元模型，将所述表面换热系数分布映射到所述有限元模型；

S4.根据预先确定的有限元模型中的温度预测目标和温度监测点，依次对每个温度预测目标进行瞬态温度场计算，得到温度预测目标的温度和温度监测点的温度随时间变化数据曲线；

S5.对所述数据曲线进行拟合，计算得到温度监测点的温升值和温度预测目标的温升值之间的传递函数；

S6.测量温度监测点的实际温度值和环境温度值，通过所述传递函数计算温度预测目标的温升值，并计算得到温度预测目标的温度值。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中构建有限体积模型时对IGBT元件进行如下简化处理：

A、忽略铝键合线；

B、焊料层为均匀分布；

C、IGBT元件的热量通过基板向散热器传递，忽略硅凝胶、塑封外壳和功率端子；

D、忽略热辐射；

E、分别建立基板、焊料、衬板和芯片层。

作为本发明的进一步改进，所述有限体积模型中，将所述IGBT元件、散热器划分固体网格；流过散热器的冷却介质划分流体网格。

作为本发明的进一步改进，所述流体网格和固体网格的尺寸优选为0.5mm至1mm。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3的具体步骤包括：在所述有限体积模型中对IGBT元件、散热器划分实体网格，将冷却介质与实体网格的交界面划分为面网格，得到有限元模型；将所述有限体积模型的表面换热系数分布映射到所述有限元模型的面网格上。

作为本发明的进一步改进，所述面网格和实体网格的尺寸优选为4mm至6mm。

作为本发明的进一步改进，所述温度预测目标包括IGBT元件中的IGBT芯片和二极管芯片；所述温度监测点包括位于IGBT元件的基板四周的监测点、IGBT元件的基板四周位于散热器上的监测点、IGBT元件自带NTC监测点。

作为本发明的进一步改进，对于每个IGBT元件，所述温度监测点的数量大于所述温度预测目标的数量。

作为本发明的进一步改进，所述预先确定的有限元模型中的温度预测目标通过对所述温度场分布进行分析，以温度场分布中最高温度位置的芯片为温度预测目标。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S4中对所述数据曲线进行拟合的方法如式(1)所示：

式(1)中，G(s)为拟合得到的传递函数，l为系统增益，τ为延迟时间，ω_n为无阻尼自然频率；ζ为阻尼率，s为拉普拉斯算子。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明不需要损坏IGBT元件的完整性，通过模型分析温度预测目标与温度监测点之间的传递函数关系，通过监测温度监测点的温升情况，即可预估出温度预测目标的温度值，具有预测速度快、准确性高等优点。

附图说明

图1为本发明具体实施例流程示意图。

图2为本发明具体实施例IGBT元件与水冷散热器结构示意图。

图例说明：1、水冷散热器；2、IGBT芯片；3、二极管芯片；4、冷却液入口；5、冷却液出口。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

IGBT设备在实际应用中通常为多个IGBT元件安装在散热器上，与驱动电路、保护电路、电容、传感器、母排等组成变流器模块。根据变流器模块的功能要求，如逆变、四象限整流、斩波等，IGBT元件的个数一般为4个、6个或8个。采用的冷却方式主要有强迫风冷、水冷和热管冷却等，根据牛顿冷却公式可知，这些冷却方式体现在散热器上就是表面换热系数(又称对流换热系数)分布的差异，比如水冷方式的表面换热系数高出强迫风冷方式近百倍，入口段的表面换热系数高于充分发展段，流速高的区域表面换热系数高于流速低的区域。如图2所示，多个IGBT元件(V1、V2、……、V8)安装在水冷散热器1上，每个IGBT元件又包括多个IGBT芯片2和二极管芯片3，水冷散热器1的冷却液由冷却液入口4注入，由冷却液出口5流出，通过冷却液对IGBT元件进行冷却。

如图1所示，本实施例的在线预估IGBT元件结温的方法，步骤为：S1.构建包含IGBT元件和散热器的有限体积模型；S2.根据有限体积模型进行稳态流场和温度场计算，得到温度场分布和表面换热系数分布；S3.构建包含IGBT元件和散热器的有限元模型，将表面换热系数分布映射到有限元模型；S4.根据预先确定的有限元模型中的温度预测目标和温度监测点，依次对每个温度预测目标进行瞬态温度场计算，得到温度预测目标的温度和温度监测点的温度随时间变化数据曲线；S5.对数据曲线进行拟合，计算得到温度监测点的温升值和温度预测目标的温升值之间的传递函数；S6.测量温度监测点的实际温度值和环境温度值，通过传递函数计算温度预测目标的温升值，并计算得到温度预测目标的温度值。

在本实施例中，利用HyperMesh、ANSA、ICEM CFD等专业前处理软件建立包含IGBT元件和散热器的有限体积模型，在构建有限体积模型中，对IGBT元件进行如下简化处理：A、忽略铝键合线；B、焊料层为均匀分布；C、IGBT元件的热量通过基板向散热器传递，忽略硅凝胶、塑封外壳和功率端子；D、忽略热辐射；E、分别建立基板、焊料、衬板和芯片层，当然，根据需要还可以包括其它材料层。在本实施例中，将IGBT元件、散热器划分固体网格；流过散热器的冷却介质划分流体网格。在划分固体网格时，还可以包括IGBT元件与散热器之间的导热硅脂。由于冷却介质流过散热器的通道截面尺寸较小，流体网格和固体网格的尺寸一般选择0.5-1mm，当散热器上强化换热的结构尺寸很小(比如0.2mm左右的小突起，小于0.1mm的微小特征可以忽略不计)时，强化换热结构附近的流体网格和固体网格尺寸需要与强化换热结构的尺寸相当，从而得到精细网格的有限体积模型。

在本实施例中，在构建好有限体积模型后，利用Fluent、CFX等CFD软件读取有限体积模型，设置IGBT元件的IGBT芯片2和二极管芯片3损耗为某一定值，设置冷却介质的入口温度和流速，进行稳态流场和温度场计算，得到温度场分布和表面换热系数分布。

在本实施例中，在所构建的有限体积模型的基础上，利用HyperMesh、ANSA、ICEMCFD等专业前处理软件将有限体积模型的网格尺寸调大至4-6mm，对IGBT元件、导热硅脂和散热器划分出实体网格，冷却介质与实体网格的交界面划分为面网格，冷却介质不需要划分网格，构建得到粗糙网格的有限元模型。

在本实施例中，在构建好有限体积模型和有限元模型后，利用Fluent、CFX等CFD软件将精细网格有限体积模型的表面换热系数分布映射到粗糙网格有限元模型的面网格上。通过表面换热系数的映射处理，可以最大程度保证有限元模型与有限体积模型在边界条件上的一致性，较目前直接对散热器设置某一定值的表面换热系数更加准确，因为粗糙网格有限元模型计算时间约为精细网格有限体积模型的0.05％，还可以最大程度地提高计算效率，计算时间将大大缩短。

在现有技术中，许多变流器模块在散热器上布置了温度继电器，如图2中的J1-J3为安装在水冷散热器上的温度继电器，当温度继电器的温度高于某一规定值时(如85℃)，保护电路会对IGBT元件进行保护。由于IGBT元件的损耗变化非常快，J1-J3的位置离IGBT元件芯片距离较远，受热容的影响，温升反应不够及时，很容易出现芯片温升已经很高但温度继电器没有及时提供保护的情况。因此，在本实施例中，选择IGBT元件中的IGBT芯片2和二极管芯片3为温度预测目标。由于IGBT元件中间部件的芯片温度往往是温度最高的位置，因此，在本实施例中，优选地，选择IGBT元件中间部位的IGBT芯片2和二极管芯片3为温度预测目标，如图2中的T₁、T₂、……、T₆所示。当然，也可以通过对温度场分布进行分析，以温度场分布中最高温度位置的芯片为温度预测目标。在各IGBT元件基板四周或IGBT元件基板四周附近的散热器上布置温度监测点，如图2中的T_m1、T_m2、T_m3、T_m4、T_m5、T_m6所示，对于每个IGBT元件的温度监测点的数目不少于温度预测目标。如果IGBT元件自带NTC，可以将NTC作为温度监测点的一部分，准确性将更高。

在本实施例中，对于每个IGBT元件，温度预测目标不仅仅限于上述所选定的IGBT芯片T₁和二极管芯片T₂，可以根据需要进一步增加温度预测目标，以更有利于温度分布的结果展示。但在增加温度预测目标时，需要考虑实际的温度监测点通道数，温度监测点的通道数需要相应增加。

在本实施例中，针对映射了表面换热系数分布的有限元模型，根据预先确定的有限元模型中的温度预测目标和温度监测点，依次对每个温度预测目标进行瞬态温度场计算，得到温度预测目标的温度和温度监测点的温度随时间变化数据曲线。在本实施例中，实施方式为：首先将第一个IGBT元件V1的IGBT芯片T₁设置某一定值热源，二极管芯片T₂热源设置为0，其余IGBT元件的IGBT芯片和二极管芯片热源设置为0，进行0-500s(水冷方式)或0-5000s(强迫风冷或热管冷却等)时间段的瞬态温度场计算；然后将第一个IGBT元件的IGBT芯片T₁设置为0，二极管芯片T₂热源设置为某一定值热源，其余IGBT元件的IGBT芯片和二极管芯片热源设置为0，进行瞬态温度场计算；再第二个IGBT元件V2的IGBT芯片T₃设置为某一定值热源，二极管芯片T₄热源设置为0，其余IGBT元件的IGBT芯片和二极管芯片热源设置为0，进行瞬态温度场计算；……。依此类推，依次改变条件对有限元模型进行瞬态温度场计算，并记录各温度预测目标的温度和温度监测点的温度随时间变化的数据和曲线。这些温度变化曲线中包含了各层材料热阻、热容以及热耦合的影响。

在本实施例中，对于每个温度预测目标进行瞬态温度场计算得到的数据曲线，通过MATLAB进行拟合，得到最接近的传递函数形式。在本实施例中，由于各温度预测目标和温度监测点的温度变化曲线具有时滞和过阻尼特征，选择带有纯延时的二阶过阻尼环节进行曲线拟合。拟合所用公式如式(1)所示，

式(1)中，G(s)为拟合得到的传递函数，l为系统增益，τ为延迟时间，ω_n为无阻尼自然频率；ζ为阻尼率，s为拉普拉斯算子。其中，ω_n和ζ决定了系统动态响应的形式，是曲线拟合时需要调整的主要参数。

在本实施例中，在确定传递函数后，以环境温度T_a(或冷却介质入口温度)为基准，以ΔT_i(i＝1,2,3,…)表示各温度预测目标的温升值，以ΔT_mj(j＝1,2,3,…)表示各温度监测点的温升值。有ΔT_i＝T_i-T_a，式中，T_i为温度预测目标当前的温度值；ΔT_mj＝T_mj-T_a，式中，T_mj为温度监测点当前的温度值。由此，式成立，其中，G_ij(s)为传递函数。在本实施例中，具有多个温度预测目标和多个测试监测点，相当于一个多输入多输出系统，温度监测点与温度预测目标之间的函数表示为：{ΔT}＝[G]{ΔT_m}，其中，ΔT为温度预测目标的温升值的矩阵，ΔT_m为温度监测点的温升值的矩阵，[G]为由m×n个G_ij(s)构成的矩阵。

据此，在本实施例中，通过监测环境温度值T_a，以及各温度监测点的实际温度T_mj，即可计算得到温升值ΔT_m。通过上述的传递函数，即可计算得到温度预测目标的温升值ΔT，再与环境温度T_a相加，即可快速计算得到温度预测目标的温度值。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种在线预估IGBT元件结温的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.构建包含IGBT元件和散热器的有限体积模型；

S2.根据所述有限体积模型进行稳态流场和温度场计算，得到温度场分布和表面换热系数分布；

S3.构建包含IGBT元件和散热器的有限元模型，将所述表面换热系数分布映射到所述有限元模型；

S4.根据预先确定的有限元模型中的温度预测目标和温度监测点，依次对每个温度预测目标进行瞬态温度场计算，得到温度预测目标的温度和温度监测点的温度随时间变化数据曲线；

S5.对所述数据曲线进行拟合，计算得到温度监测点的温升值和温度预测目标的温升值之间的传递函数；

S6.测量温度监测点的实际温度值和环境温度值，通过所述传递函数计算温度预测目标的温升值，并计算得到温度预测目标的温度值。

2.根据权利要求1所述的在线预估IGBT元件结温的方法，其特征在于：所述步骤S1中构建有限体积模型时对IGBT元件进行如下简化处理：

A、忽略铝键合线；

B、焊料层为均匀分布；

C、IGBT元件的热量通过基板向散热器传递，忽略硅凝胶、塑封外壳和功率端子；

D、忽略热辐射；

E、分别建立基板、焊料、衬板和芯片层。

3.根据权利要求2所述的在线预估IGBT元件结温的方法，其特征在于：所述有限体积模型中，将所述IGBT元件、散热器划分固体网格；流过散热器的冷却介质划分流体网格。

4.根据权利要求3所述的在线预估IGBT元件结温的方法，其特征在于：所述固体网格和流体网格的尺寸优选为0.5mm至1mm。

5.根据权利要求3所述的在线预估IGBT元件结温的方法，其特征在于：所述步骤S3的具体步骤包括：在所述有限体积模型中对IGBT元件、散热器划分实体网格，将冷却介质与实体网格的交界面划分为面网格，得到有限元模型；将所述有限体积模型的表面换热系数分布映射到所述有限元模型的面网格上。

6.根据权利要求5所述的在线预估IGBT元件结温的方法，其特征在于：所述面网格和实体网格的尺寸优选为4mm至6mm。

7.根据权利要求5所述的在线预估IGBT元件结温的方法，其特征在于：所述温度预测目标包括IGBT元件中的IGBT芯片和二极管芯片；所述温度监测点包括位于IGBT元件的基板四周的监测点、IGBT元件的基板四周位于散热器上的监测点、IGBT元件自带NTC监测点。

8.根据权利要求7所述的在线预估IGBT元件结温的方法，其特征在于：对于每个IGBT元件，所述温度监测点的数量大于所述温度预测目标的数量。

9.根据权利要求8所述的在线预估IGBT元件结温的方法，其特征在于：所述预先确定的有限元模型中的温度预测目标通过对所述温度场分布进行分析，以温度场分布中最高温度位置的芯片为温度预测目标。

10.根据权利要求8所述的在线预估IGBT元件结温的方法，其特征在于：在所述步骤S4中对所述数据曲线进行拟合的方法如式(1)所示：

$G\left(s\right)=\frac{{\mathrm{l\ω}}_n^2}{s^2+2{\mathrm{\ζ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}{e}^{-\mathrm{\τ}s}---\left(1\right)$

式(1)中，G(s)为拟合得到的传递函数，l为系统增益，τ为延迟时间，ω_n为无阻尼自然频率；ζ为阻尼率，s为拉普拉斯算子。