CN108319763A - Igbt多层热传导建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种IGBT多层热传导建模方法，属于电力电子器件研究领域。基于热传导理论和经典Cauer传热RC网络结构，建立IGBT传热网络结构模型，查明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。在此基础上，以器件到系统对IGBT传热模型的不同需求为主线，建立适用于器件级到系统级热仿真的IGBT传热模型。仿真与实验结果验证了模型的正确性与高效性。所建立的IGBT传热模型对于查明IGBT器件的传热网络结构特征与结温运行规律，实现电力电子器件到系统的独立与联合仿真具有一定的理论意义和应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子器件研究领域，特别涉及一种IGBT多层热传导建模方法。
背景技术
半导体集成电路和半导体功率器件，作为半导体器件主体的微电子器件的两大分支，前者用于信息处理，后者用于能量(电能)处理。1980年之后国际上主流的半导体功率器件由可控硅发展为更先进的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。它用起来更简单方便，用它制造的电力装置体积小、重量轻、成本低、更节能。
我国正在成为世界电子制造的大国，要成为电子制造的强国，需要更多创新型、国际化的专业人才。电子封装技术专业期望为我国电子信息产业的发展作出重要的贡献。受到迅速发展的微电子集成电路的影响，上世纪80年代初期，有人提出了“用少量的集成好的模块来取代分立元件”的概念。上世纪90年代初，美国海军部提出了“电力电子积木模块(Power Electronics Building Block)”的概念。针对商用的中、小功率场合，CPES提出集成电力电子模块(Integrated Power Electronics Module，IPEM)的概念。电力电子系统集成的思想是采用集成系统的方法，将智能的具有通用性的电力电子标准模块像搭积木一样组合在一起，方便地构成各种不同的电能变换系统。在电力电子集成系统中，各分立元器件被标准化模块，即IPEM取代。
功率半导体器件IGBT(绝缘栅双极晶体管)高频化、大功率化、集成化的发展，使得IGBT模块承载更高的工作温度和温度冲击，其各层材料的热物性因往复膨胀收缩而疲劳退化，表现为给定功率及环境应力的模块工作温度升高，模块对功率应力、环境应力及系统暂态过程的容适性变差，模块的运行安全余量降低。当模块的实际工作温度超过极限安全工作温度时，就会发生不可逆转的失效。
根据相关调查报告可知，功率器件失效概率明显高于其它元器件，引起功率器件失效的因素众多且复杂。根据分析可知，功率器件IGBT模块主要是因环境应力、系统暂态、长时间过载、工艺缺陷以及功率/温度循环冲击等因素而导致失效，其中环境应力、系统暂态和过载是失效的主要因素，所占的比重都在26％～28％之间。
IGBT模块失效的本质在于工作结温超过极限安全结温，导致模块发生不可逆转的失效。工艺缺陷和功率/温度冲击下的模块材料疲劳使得极限安全结温下降，模块在相同环境及功率应力下的工作结温升高，耐受系统暂态冲击的能力下降，所以对IGBT模块电热特性的研究具有重要意义。因此，获得既定工作条件下IGBT模块内功率器件的结温状况，对于确保其安全可靠的使用和冷却装置合理选择等具有显著意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种IGBT多层热传导建模方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明是一种基于器件到系统的等级与传热网络结构本身建立绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)传热模型的建模方法。基于热传导理论和经典Cauer传热RC网络结构，建立IGBT传热网络结构模型，查明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。在此基础上，以器件到系统对IGBT传热模型的不同需求为主线，建立适用于器件级到系统级热仿真的IGBT传热模型。仿真与实验结果验证了模型的正确性与高效性。所建立的IGBT传热模型对于查明IGBT器件的传热网络结构特征与结温运行规律，实现电力电子器件到系统的独立与联合仿真具有一定的理论意义和应用价值。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
IGBT多层热传导建模方法，包括如下步骤：
步骤(1)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，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，基于传热RC经典Cauer热网络结构，建立多阶IGBT传热网络结构模型，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，基于IGBT模块多层传热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，对多层传热网络进行了简化，并建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热模型；
步骤(4)IGBT器件产生的功率损耗以热量的形式传递至散热器和外部空间，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，由于在热量传递过程中存在动力学作用过程，提出采用自然解耦的方法，对其动力学特性进行研究；进而，建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热模型。
本发明的有益效果在于：基于IGBT基本结构与电热比拟理论，建立了IGBT传热网络结构与模型。通过分析单层网络结构与多层网络结构的运行特性，建立了多层网络结构简化方法与简化依据。进而，根据器件到系统不同等级的需求，建立了适用于器件级到系统级热仿真的IGBT传热模型，并通过实验对模型的正确性与高效性进行了验证和对比。所建立的IGBT传热模型仿真精度高、效率提升大。该研究为查明IGBT结温运行规律与作用机理、实现不同需求的独立与联合仿真、辅助失效机理与可靠性研究奠定了基础。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为IGBT模块RC传热Cauer模型；
图2为七阶Cauer热网络结构模型；
图3为单层Cauer热网络结构；
图4为时间常数为15ms时，单层网络结温仿真结果(Rth＝0.03℃/W,Cth＝0.5J/℃)；
图5为时间常数为15ms时，单层网络结温仿真结果(Rth＝0.1℃/W,Cth＝0.15J/℃)；
图6为三阶Cauer热网络结构模型；
图7为三阶Cauer热网络自然解耦一阶模型。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图7所示，本发明的IGBT多层热传导建模方法，包括如下步骤：
步骤(1)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，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，基于传热RC经典Cauer热网络结构，建立多阶IGBT传热网络结构模型，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，基于IGBT模块多层传热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，对多层传热网络进行了简化，并建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热模型；
步骤(4)IGBT器件产生的功率损耗以热量的形式传递至散热器和外部空间，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，由于在热量传递过程中存在动力学作用过程，提出采用自然解耦的方法，对其动力学特性进行研究；进而，建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热模型。
实施例：
1、具有普适性规律的IGBT传热模型
根据传热学以及将热流通道看成传输线，传输线可用RC网络来表示，由表1所示比拟理论，可得到每层等效材料热阻Rth和热容Cth分别为
表1热电相对应量
Cth＝CpρdA (2)
式中，d为垂直热传导方向IGBT封装结构各层厚度；λ为材料的导热系数；Cp为材料的定压比热容；ρ为材料的密度；A为上一层通过热传导流过该层热流的有效传热面积，每一层有效传热面积的计算是将该层上一层的长度、宽度分别加上厚度后相乘得到，并非每层的几何面积。
依据电热比拟理论，对图1进行Laplace变换。通过研究多层Cauer热网络结构，查明了n层Cauer热网络结构Laplace变换矩阵的特点与普适性规律，如式(3)所示。通过对式(3)进行反Laplace变换，即可求出时域范围内的变化规律。
通过研究多层Cauer热网络结构，查明了n层Cauer热网络结构Laplace变换矩阵的特点与普适性规律，如式(3)所示。通过对式(3)进行反Laplace变换，即可求出芯片结温及各层温度在时域范围内的变化规律，芯片结温及以下各层的温度，如式(4)。
2、适用于器件级到系统级热仿真的IGBT传热模型
根据器件、组件、系统对IGBT传热模型的不同需求，基于Cauer热网络模型的结构特点，建立了适用于器件级到系统级热仿真的IGBT传热模型。
2.1适用于器件级热仿真的IGBT传热模型研究
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。该模型IGBT模块由芯片至基板为7层sandwich结构。根据建立了完整的七阶IGBT传热网络结构模型，如图2所示。基于所建立的IGBT传热模型，通过对图2进行Laplace变化与反变换，可求出芯片结温及以下封装各层的温度，即
[P7,…P1,P′7，…，P′1,Tj]T＝f(C7,…,C1,R7,…,R1,Pin,Tc)(5)
2.2适用于组件级热仿真的IGBT传热模型
掌握单层RC网络运行特性是建立有效RC网络传热模型的基础。单层Cauer热网络结构如图3所示。
传热模型中RC网络时间常数是指RC网络过渡反应时间过程的常数，是热容C与热阻
R的乘积。在热容、热阻电路网络中，当热量流过时，热容两端的温度达到最大值的1-1/e时所需时间为时间常数τ。根据时间常数的定义知，t时
刻结温表达式为
Tj(st)-Tc＝RthPave (7)
由式(9)可知，当时间趋于+∞时，结温Tj趋于稳态结温Tj(st)。定义Tjc(st)＝Tj(st)-Tc，因此，得出结温达到稳态所需时间为
由于Tj→Tj(st)，所以ΔTj→ΔTj(st)。定义Tj＝0.98Tj(st)时，系统达到稳态，则
t＝-τln 0.02 (11)
基于Saber仿真软件中的IGBT行为模型，在输入功率540.3W、占空比0.5、壳温25℃、仿真时长4s、单层RC网络结构的仿真条件下，对时间常数τ相同、热阻Rth和热容Cth不同组合时，单层网络的运行特性进行了仿真研究，仿真结果如图4及图5所示，情况分析见表2。其中，ts为稳定时间，Tτ为时间常数时刻的温度，Tj(st)为稳定温度，Tc为壳温。
(1)当热阻一定时，结壳温差由功率损耗决定，功率损耗相同，结壳温差相同；当功率损耗相同时，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，结壳温差达到稳态时间相同。
(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。
表2时间常数相同、热阻热容不同组合时，单层网络特性
7层RC网络结构简化。该模型IGBT模块芯片至基板各层结构参数与时间常数，如图2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。IGBT模块七阶Cauer热网络模型可以简化为三阶热网络模型，如图6所示。基于所建立的IGBT传热模型，通过对图6进行Laplace变换与反变换，即可求出芯片结温与各等效层温度，即
[P3,P'3,P2,P'2,P1,P'1,Tj]T＝f(C3,C2,C1,R3,R2,R1,Pin,Tc) (12)
2.3适用于系统级热仿真的IGBT传热模型
采用自然解耦的方法，对其动力学特性进行研究，将相互耦合的3层网络各自独立，各层温度进行数学相加，三阶Cauer热网络自然解耦一阶模型如图7所示。基于所建立的IGBT传热模型，通过对图7进行Laplace变换与反变换，求出芯片结温为
基于IGBT基本结构与电热比拟理论，建立IGBT传热网络结构与模型。通过分析单层网络结构与多层网络结构的运行特性，建立了多层网络结构简化方法与简化依据。进而，根据器件到系统不同等级的需求与IGBT传热模型本身特征，建立了适用于器件级到系统级热仿真的IGBT传热模型。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种IGBT多层热传导建模方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤（1）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，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，基于传热 RC 经典Cauer热网络结构，建立多阶IGBT传热网络结构模型，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，基于IGBT模块多层传热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，对多层传热网络进行了简化，并建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热模型；
步骤（4）IGBT器件产生的功率损耗以热量的形式传递至散热器和外部空间，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，由于在热量传递过程中存在动力学作用过程，提出采用自然解耦的方法，对其动力学特性进行研究；进而，建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热模型。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180724 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |