CN108680847A - 基于故障电流下的igbt结温的热计算方法 - Google Patents

基于故障电流下的igbt结温的热计算方法 Download PDF

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戴涛
刘黎
姚晖
乔敏
袁杰
李剑波
俞兴伟
卢志飞
杨勇
詹志雄
许琤
刘懿
胡晶格
黄萌
孙建军
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Abstract

基于故障电流下的IGBT结温的热计算方法,涉及一种热计算方法，现有技术的问题在于缺少能够有效反映IGBT模块内各芯片的瞬态结温的方法。本发明包括如下步骤：1)根据所述电路状态信息和所述损耗参数计算功率模块损耗，其中需要通过IGBT模块的手册曲线拟合得到导通压降、IGBT的开通损耗以及关断损耗，然后将损耗可以表示为一个周期内瞬时功率损耗的积分；2)根据短功率脉冲下的IGBT的峰值结温计算方法得到在短脉冲功率下功率器件的峰值结温的计算方法，输入IGBT模块热特性参数，然后使用所涉及层的物理参数来模拟运行中的热响应曲线，建立模块系统热路模型；3)确定IGBT模块温度。本技术方案设计合理、精度高且预测结果准确。

Description

基于故障电流下的IGBT结温的热计算方法
技术领域
本发明涉及一种热计算方法，尤其涉及基于故障电流下的IGBT结温的热计算方法。
背景技术
由电力电子系统可靠性调研报告可知，功率半导体器件是现代电力电子变换装置的核心组成部分，也是变流系统中失效率最高的部件，约占34％。在各种失效因素中，约55％的电力电子系统失效主要由温度因素诱发。因而为了避免功率模块的严重性能退化甚至是灾难性损坏，功率模块的最高运行结温以及结温波动应受到密切的监测。具体而言，模块的热击穿失效和热疲劳失效分别是由其的最高运行结温和结温波动所触发的。所以，模块运行结温的在线提取与检测对大功率变流系统的安全运行及健康管理具有重要的意义。
随着大功率电力电子技术的不断发展，现代工业对半导体器件的性能要求与日俱增。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，同时具有电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，被广泛应用于大功率电力电子设备中。但目前对IGBT模块运行结温的在线提取与检测存在一系列问题，例如，光学非接触式测量法只能得到模块外表面特定时刻的温度，在测量时需要打开模块封装，属于破坏性测量方法，不能实现IGBT模块内部功率芯片结温的在线测量。温度敏感参数TSP(导通饱和电压Vce、门槛电压Vgs)测量法适用于长期运行工况下IGBT实际结温的估算。但在发生短路时，集电压Vce、Vgs将受到外部电压应力的影响，此时需要重新对实验曲线进行测定。
迭代数值计算方法根据电-热比拟原理建立IGBT模块工作的电路图，然后基于数学理论知识和IGBT工作过程对其结温进行迭代计算，当精度满足要求时停止迭代。对于结温计算精度要求高的场合，迭代数值计算方法需要迭代的次数较多，计算比较复杂，而且该方法为离线计算结温，属于对结温的估算，精度较低。
仿真分析方法主要根据其电特性和传热特性建立电-热耦合模型，能够预测IGBT的瞬态和稳态结温。IGBT模块的结温最大值通常大于其结温均值，在高频、大功率、高温等严苛工况下，IGBT模块很可能因为结温最大值超过临界温度而损坏，所以仿真分析方法对IGBT模块的瞬态结温预测能够为提高电力电子系统的可靠度提供技术参考。同时IGBT的热网络模型实现短路故障下的IGBT结温计算，然而这种方法也有局限的地方，其不适用于研究短脉冲功率下暂态扰动电流和温升之间的关系。
综上所述，现有技术的问题在于缺少能够有效反映IGBT模块内各芯片的瞬态结温的方法。因此，需要提供一种能适用于不同类型的故障电流下的IGBT结温的热模型来提升计算的精度要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供基于故障电流下的IGBT结温的热计算方法，以达到提升预测结果准确性的目的。为此，本发明采取以下技术方案。
基于故障电流下的IGBT结温的热计算方法，包括以下步骤：
1)根据电路状态信息和损耗参数计算功率模块损耗；通过IGBT模块的手册曲线拟合得到导通压降、IGBT的开通损耗以及关断损耗，然后将损耗可以表示为一个周期内瞬时功率损耗的积分；
功率模块损耗包括导通损耗和开关损耗；
11)导通损耗计算时，由于IGBT模块由N个芯片并联在一起，假设pcond_IGBT为模块中每个IGBT的平均瞬时功率损耗，则整个IGBT模块的瞬时功率损耗由下式表示：
pcond＝N·pcond_IGBT(t)
＝N·vce(t)·i(t)·D(t)
其中vce(t)为IGBT的导通电压；i(t)为流过每个IGBT的平均导通电流，可由负载电流得到D(t)为IGBT的占空比；IGBT模块中单个IGBT的平均导通损耗Pcond_Ave由瞬时导通损耗在一个时间周期的积分表示：
其中，T0为负载电流的周期；D(t)为逆变器输出的占空比，可以用调制比及调制波来表示；导通压降的线性化表示为vce(t)＝VT0+rce·i(t)，其中VT0为门槛电压，rce为导通时的斜率电阻；
12)开关损耗计算时；由N个芯片并联的IGBT模块瞬时开关损耗表示为：
pswitch＝N·pswitch_IGBT(t)
＝N·fs·Eswitch(i(t))
其中，Eswitch为IGBT模块开关能量的平均值，其为IGBT导通电流的函数；fs为逆变器的开关频率；IGBT模块中平均每个IGBT的开关损耗表示为一个周期内瞬时功率损耗的积分：
其中Eswitch(i(t))由IGBT的开通损耗Eon(i(t))与关断损耗Eoff(i(t))组成，两者均可表示为导通电流的二次函数，即Eswitch(i(t))＝E1·i(t)2+E2·i(t)+E3，其中E1，E2，E3为常数，由器件手册中给定电流、电压下的开通、关断能输入IGBT模块热特性参数量拟合得到；
2)根据短功率脉冲下的IGBT的峰值结温计算方法得到在短脉冲功率下功率器件的峰值结温的计算方法，输入IGBT模块热特性参数，然后使用所涉及层的物理参数来模拟运行中的热响应曲线，建立模块系统热路模型；
21)计算短功率脉冲下的IGBT的峰值结温；温升计算公式为：
其中：IGBT的芯片厚度为d，深度为g，校正因子为Φ；
22)根据IGBT模块热特性参数，建立模块系统热路模型，热路模型由RC热模型生成后进行有限元模拟和曲线拟合来预测瞬态或稳态结温状态；从模拟运行中提取热响应曲线，来估计功率器件的峰值结温，然后使用所涉及层的物理参数来模拟运行中的热响应曲线。
3)确定IGBT模块温度。
作为优选技术手段：在步骤12)中，IGBT模块中平均每个IGBT的开关损耗表示为一个周期内瞬时功率损耗的积分；Eswitch(i(t))由IGBT的开通损耗Eon(i(t))与关断损耗Eoff(i(t))组成，两者均可表示为导通电流的二次函数，即Eswitch(i(t))＝E1·i(t)2+E2·i(t)+E3，其中E1，E2，E3为常数。
作为优选技术手段：常数E1、E2、E3由器件手册中给定电流、电压下的开通、关断能输入IGBT模块热特性参数量拟合得到。
作为优选技术手段：在步骤2)中，规定短冲下功率耗散发生在无限短的时间内和有限厚度的层中；模型的热量瞬间产生并只均匀地分布在一个小的深度g，将校正因子融入RC热阻网络模型中的热阻，用IGBT芯片层剩下(d-g)厚度的无源区热阻来校正温升，得到最终的峰值结温。
作为优选技术手段：在步骤2)中，根据整个IGBT芯片模块的散热性能和模块中每层的热传递属性，通过每层的热参数建立RC热阻模型来模拟运行中的热响应曲线；得到每层材料的等效热阻Rth和热容Cth计算表达式:
Cth＝cρdA
式中，d为热传导方向上长度；A为每层的面积；λ为材料的导热系数；c为材料的比热容；ρ为材料的密度；计算材料热阻的导热面积时，利用热扩散角＝45°计算有效导热面积，最终计算得到不同温度下各材料层的热阻热容参数。
作为优选技术手段：在步骤3)中，将该热网络模型类比电路模型，根据电热比拟理论，把电压比拟结温，电功率比拟电流，电阻和电容分别比拟热阻和热容，根据电压值得到最终的结温大小。
有益效果：本技术基于开关周期研究瞬态结温变化，不考虑平均功率模型，相较于传统模型精确度高。在不同类型电流冲击的工况条件下研究IGBT模块散热性能的影响，考虑短时间尺度下IGBT的瞬态响应，相较于有限元方法缩短计算时间。可为优化IGBT模块散热设计、变换器电流保护设计提供参考。本技术方案设计合理、精度高且预测结果准确。
附图说明
图1为本发明实施例中IGBT芯片层功率耗散结构；
图2为本发明实施例中IGBT模块内部多层截面示意图；
图3为本发明实施例中有效导热面积的计算模型；
图4为本发明实施例中短功率脉冲下的改进IGBT热模型；
图5为本发明实施例中短功率脉冲下IGBT瞬态结温变化；
图6为本发明实施例中短功率脉冲下IGBT模块内层间温度；
图7为本发明实施例中阶跃电流下IGBT瞬态结温变化。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
本发明对FF300R12ME4实际的封装IGBT模块进行研究，内部的结构图如图1所示。该模块内部包含了6个10.4mm×9.4mm IGBT芯片和6个7.2mm×7.2mm二极管芯片(FRD)，基板尺寸为119.0mm×58.8mm。芯片为0.3mm厚，基板焊料为0.2mm厚，铜层1为0.3mm厚，Al2O3衬板为1mm厚，铜层2为0.25mm厚，基板焊料为0.2mm厚，基板为5mm厚。
结合具体实施例，基于故障电流下的IGBT结温的热计算方法，包括以下步骤：
A、根据所述电路状态信息和所述损耗参数计算功率模块损耗。
A1、首先考虑导通损耗。本发明中IGBT模块由3个芯片并联在一起，其中vce(t)为IGBT的导通电压；i(t)为正弦信号电流可由负载电流得到；D(t)为IGBT的占空比。IGBT模块中单个IGBT的平均导通损耗Pcond_Ave可以由瞬时导通损耗在一个时间周期的积分表示：
其中，T0为负载电流的周期；D(t)为逆变器输出的占空比，可以用调制比及调制波来表示；导通压降的线性化可以表示为vce(t)＝VT0+rce·i(t)，其中VT0为门槛电压，rce为导通时的斜率电阻，通常在工作电流点附近选取。在本发明中IGBT输出特性Vce/f_chip(ichip)＝0.885+0.00365·ichip(t)，二极管Vce/f_chip(ichip)＝0.96+0.00225·ichip(t)。
A2、其次是开关损耗。由N个芯片并联的IGBT模块，Eswitch为IGBT模块开关能量的平均值，其为IGBT导通电流的函数；fs为逆变器的开关频率。IGBT模块中平均每个IGBT的开关损耗可以表示为一个周期内瞬时功率损耗的积分：
Eswitch(i(t))由IGBT的开通损耗Eon(i(t))与关断损耗Eoff(i(t))组成，两者均可表示为导通电流的二次函数，即Eswitch(i(t))＝E1·i(t)2+E2·i(t)+E3，在本发明中IGBT的开通损耗Esw/on_chip(ichip(t))＝5.714e-05·(ichip(t))2+0.02271·ichip(t)+5.2，IGBT的关断损耗Esw/off_chip(ichip(t))＝7.143e-06·(ichip(t))2+0.1097·ichip(t)+4.2。
(二极管)反向恢复功率损耗
Erec_chip(ichip(t))＝-5.214e-05·(ichip(t))2+0.07999·ichip(t)+10.3
B、输入IGBT模块热特性参数，建立模块系统热路模型，包括以下步骤：
B1、考虑短功率脉冲下的IGBT的峰值结温计算方法。图1为IGBT芯片层功率耗散结构。热在硅表面附近产生，沿z轴线性流动。短功率脉冲使短时的热量局限在有限的体积内，在本发明中考虑热量集中在IGBT芯片顶部65μm的厚度内，则温升为：
本发明提出一种新方法，由于模型的热量瞬间产生并只均匀地分布在一个小的深度g，则将校正因子融入RC热阻网络模型中的热阻，用IGBT芯片层剩下(d-g)厚度的无源区热阻来校正温升，得到最终的峰值结温。
B2、输入IGBT模块热特性参数，建立模块系统热路模型。该模型是由RC热模型生成后有限元模拟和曲线拟合程序来预测瞬态或稳态结温状态。首先从模拟运行中提取热响应曲线，来估计功率器件的峰值结温，然后使用所涉及层的物理参数来模拟运行中的热响应曲线。
所述步骤B中要考虑整个IGBT芯片模块的散热性能和模块中每层的热传递属性，通过每层的热参数建立RC热阻模型来模拟运行中的热响应曲线。图2是IGBT模块内部多层截面示意图，由传热学理论可以得到每层材料的等效热阻Rth和热容Cth计算表达式为:
Cth＝cρdA
式中，d为热传导方向上长度；A为每层的面积；λ为材料的导热系数；c为材料的比热容；ρ为材料的密度。计算材料热阻的导热面积时，为简化计算，本发明提出可以利用如图3所示的热扩散角＝45°计算有效导热面积，不会带来较大误差。公式最终计算得到不同温度下各材料层的热阻热容参数。
IGBT各材料层不同温度下的热阻热容参数
所述步骤2，下图4所示是最终得到的考虑短功率脉冲下的改进IGBT热模型。该模型最左边是一个电压源直接给IGBT芯片层输入一个脉冲的瞬态温升ΔT，再通过校正因子来调整该温升。中间为IGBT模块的内部结构，分别为芯片层、芯片焊料层、铜层、Al2O3层铜层、基板焊料层以及基板层7层材料的热阻热容；由于空气对流散热，模型右端还加入散热热阻。
C、确定IGBT模块温度。将该热网络模型类比电路模型，根据电热比拟理论，把电压比拟结温，电功率比拟电流，电阻和电容分别比拟热阻和热容，通过对电压值的观测得到最终的结温大小。
参考图4，本实施例中首先考虑短功率脉冲的工况下IGBT的瞬态结温测量模型。给模块输入相同时间长度10μs但不同功率值的功率脉冲，对比改进模型以及有限元仿真，图5和6是不同功率脉冲下IGBT传热分析，图5显示了分别输入100kw和200kw两种不同功率脉冲后IGBT模块的传热以及散热过程,图6是IGBT模块内层间温度。
参考图4，本实施例中然后考虑阶跃电流的工况下IGBT的瞬态结温测量模型。假设IGBT在0s时开始工作，初始电流为300A，模块中芯片的并联个数为3，工作频率为10kHz。0s时IGBT结温上升，60s左右达到稳定。60s时系统发生故障，图7显示了短路电流为400A、500A、600A时Sumilink和FEM中IGBT结温的动态响应过程。
以上图1-7所示的基于故障电流下的IGBT结温的热计算方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (6)

1.基于故障电流下的IGBT结温的热计算方法，其特征在于包括以下步骤：
1)根据电路状态信息和损耗参数计算功率模块损耗；通过IGBT模块的手册曲线拟合得到导通压降、IGBT的开通损耗以及关断损耗，然后将损耗可以表示为一个周期内瞬时功率损耗的积分；
功率模块损耗包括导通损耗和开关损耗；
11)导通损耗计算时，由于IGBT模块由N个芯片并联在一起，假设pcond_IGBT为模块中每个IGBT的平均瞬时功率损耗，则整个IGBT模块的瞬时功率损耗由下式表示：
pcond＝N·pcond_IGBT(t)
＝N·vce(t)·i(t)·D(t)
其中vce(t)为IGBT的导通电压；i(t)为流过每个IGBT的平均导通电流，可由负载电流得到D(t)为IGBT的占空比；IGBT模块中单个IGBT的平均导通损耗Pcond_Ave由瞬时导通损耗在一个时间周期的积分表示：
其中，T0为负载电流的周期；D(t)为逆变器输出的占空比，可以用调制比及调制波来表示；导通压降的线性化表示为vce(t)＝VT0+rce·i(t)，其中VT0为门槛电压，rce为导通时的斜率电阻；
12)开关损耗计算时；由N个芯片并联的IGBT模块瞬时开关损耗表示为：
pswitch＝N·pswitch_IGBT(t)
＝N·fs·Eswitch(i(t))
其中，Eswitch为IGBT模块开关能量的平均值，其为IGBT导通电流的函数；fs为逆变器的开关频率；IGBT模块中平均每个IGBT的开关损耗表示为一个周期内瞬时功率损耗的积分：
其中Eswitch(i(t))由IGBT的开通损耗Eon(i(t))与关断损耗Eoff(i(t))组成，两者均可表示为导通电流的二次函数，即Eswitch(i(t))＝E1·i(t)2+E2·i(t)+E3，其中E1，E2，E3为常数，由器件手册中给定电流、电压下的开通、关断能输入IGBT模块热特性参数量拟合得到；
2)根据短功率脉冲下的IGBT的峰值结温计算方法得到在短脉冲功率下功率器件的峰值结温的计算方法，输入IGBT模块热特性参数，然后使用所涉及层的物理参数来模拟运行中的热响应曲线，建立模块系统热路模型；
21)计算短功率脉冲下的IGBT的峰值结温；温升计算公式为：
其中：IGBT的芯片厚度为d，深度为g，校正因子为Φ；
22)根据IGBT模块热特性参数，建立模块系统热路模型，热路模型由RC热模型生成后进行有限元模拟和曲线拟合来预测瞬态或稳态结温状态；从模拟运行中提取热响应曲线，来估计功率器件的峰值结温，然后使用所涉及层的物理参数来模拟运行中的热响应曲线。
3)确定IGBT模块温度。
2.根据权利要求1所述的基于故障电流下的IGBT结温的热计算方法，其特征在于：在步骤12)中，IGBT模块中平均每个IGBT的开关损耗表示为一个周期内瞬时功率损耗的积分；Eswitch(i(t))由IGBT的开通损耗Eon(i(t))与关断损耗Eoff(i(t))组成，两者均可表示为导通电流的二次函数，即Eswitch(i(t))＝E1·i(t)2+E2·i(t)+E3，其中E1，E2，E3为常数。
3.根据权利要求2所述的基于故障电流下的IGBT结温的热计算方法，其特征在于：常数E1、E2、E3由器件手册中给定电流、电压下的开通、关断能输入IGBT模块热特性参数量拟合得到。
4.根据权利要求3所述的基于故障电流下的IGBT结温的热计算方法，其特征在于：在步骤2)中，规定短冲下功率耗散发生在无限短的时间内和有限厚度的层中；模型的热量瞬间产生并只均匀地分布在一个小的深度g，将校正因子融入RC热阻网络模型中的热阻，用IGBT芯片层剩下(d-g)厚度的无源区热阻来校正温升，得到最终的峰值结温。
5.根据权利要求4所述的基于故障电流下的IGBT结温的热计算方法，其特征在于：在步骤2)中，根据整个IGBT芯片模块的散热性能和模块中每层的热传递属性，通过每层的热参数建立RC热阻模型来模拟运行中的热响应曲线；得到每层材料的等效热阻Rth和热容Cth计算表达式:
Cth＝cρdA
式中，d为热传导方向上长度；A为每层的面积；λ为材料的导热系数；c为材料的比热容；ρ为材料的密度；计算材料热阻的导热面积时，利用热扩散角＝45°计算有效导热面积，最终计算得到不同温度下各材料层的热阻热容参数。
6.根据权利要求5所述的基于故障电流下的IGBT结温的热计算方法，其特征在于：在步骤3)中，将该热网络模型类比电路模型，根据电热比拟理论，把电压比拟结温，电功率比拟电流，电阻和电容分别比拟热阻和热容，根据电压值得到最终的结温大小。
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