CN110245414A - 一种压接式igbt模块多物理场耦合仿真方法 - Google Patents

一种压接式igbt模块多物理场耦合仿真方法 Download PDF

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Abstract

一种压接式IGBT模块多物理场耦合仿真方法，包括以下步骤：步骤一、通过ANSYS simpleror计算压接式IGBT模块的集电极平均电流；步骤二、在ANSYS Maxwell中计算压接式IGBT模块随温度变化的发热功率；步骤三、在ANSYS steady‑state thermal中计算压接式IGBT模块的内部温度分布；步骤四、在ANSYS steady‑state mechanical中计算压接式IGBT模块内部应力分布。本发明能够清晰地描述各物理场间的耦合关系，得到IGBT模块实际运行中内部的温度分布以及应力分布状态，从而预测出模块内部最易失效的部分。

Description

一种压接式IGBT模块多物理场耦合仿真方法
技术领域
本发明属于高压大容量直流输电领域，为一种压接式IGBT模块多物理场耦合仿真方法。
背景技术
随着高压直流输电HVDC(High Voltage Direct Current)系统电压等级和传输能力的提高，对换流器等电力电子设备的可靠性提出了更高的要求。近年来，模块化多电平换流器MMC(Modular multilevel converter)由于具有开关频率低、损耗小的优点，广泛应用于多个实际输电工程中。而MMC换流阀作为HVDC系统的核心设备，元件种类多，结构复杂，如压接式IGBT器件具有双面散热、短路失效模式等独特的优势，逐渐取代焊接式IGBT应用于MMC换流阀中。在实际应用中，不同的拓扑结构、元件本身的可靠性水平以及复杂的运行工况等多种因素都对换流阀的可靠性造成不同程度的影响，最终影响换流阀的使用寿命。因此，作为MMC子模块的关键元器件，分析IGBT模块的失效原因，并预测IGBT模块失效的薄弱环节，对换流阀设备的运行维护和整个HVDC系统可靠性的提高都具有重要的现实意义。
由于电力电子器件大多封装在模块中，模块的内部故障不易直接测量，难以对其内部运行状态进行实时监测和评估，需要借助仿真软件对其内部运行状态进行仿真分析，对于预测内部失效机理有着重要的辅助作用。因此，需要一种方法对IGBT模块的失效机理进行全面的分析与研究，得到IGBT模块实际运行中内部的温度分布和应力分布状态。
然而，现有技术的对压接式IGBT模块多物理场偶和仿真的研究还存在问题：
1)只考虑单一物理场或某几个物理场对压接型IGBT模块正常运行的影响；
2)只考虑各物理场间的单向耦合关系，如电场影响温度场，温度场再影响机械场；
3)大多针对中小功率应用中焊接封装形式的IGBT模块进行多物理场分析。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种压接式IGBT模块多物理场耦合仿真方法，通过该方法能够清晰地描述各物理场间的耦合关系，得到IGBT模块实际运行中内部的温度分布以及应力分布状态，从而预测出模块内部最易失效的部分。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：
步骤一、通过ANSYS simpleror计算压接式IGBT模块的集电极平均电流；
步骤二、在ANSYS Maxwell中计算压接式IGBT模块随温度变化的发热功率；
步骤三、在ANSYS steady-state thermal中计算压接式IGBT模块的内部温度分布；
步骤四、在ANSYS steady-state mechanical中计算压接式IGBT模块内部应力分布。
所述的步骤一在ANSYS simpleror中建立MMC换流阀电路热路耦合模型，MMC换流阀电路热路耦合模型包含MMC换流阀电路拓扑结构及压接式IGBT模块散热网络，MMC换流阀电路拓扑结构包括压接式IGBT模块以及电路杂散参数，压接式IGBT模块依据模块出厂datasheet提供的输出特性、转移特性及开关过程曲线通过simpleror的建模工具建立advanceddynamic module；电路杂散参数使用ANSYS Q3D提取，热路耦合模型根据选用模块datasheet瞬态热阻抗曲线提取，并使用MATLAB curve fitting拟合出四阶foster热网络模型。测量实际工况下MMC换流阀电路的母线电压电流及功率模块开关频率，带入热路耦合模型能够得到单个压接式IGBT模块电流随时间变化波形，并计算其平均值，作为集电极平均电流。
所述的步骤二在ANSYS Workbench中调用ANSYS Maxwell模块，设置芯片的电阻率为结温Tj的函数，各层接触电阻Rc为接触面压力F的函数，用以表现电流分布受温度的影响，并在ANSYS Maxwell模块中进行稳态电磁场仿真得到压接式IGBT模块内部各部件功率损耗。
步骤三在steady-state thermal模块设置各层接触热阻RTHc为接触面压力F的函数，导入ANSYS Maxwell模块中计算的功率损耗结果进行稳态热仿真，得到IGBT模块内部温度分布。
所述的步骤四在ANSYS Workbench中调用steady-state mechanical模块，设置steady-statethermal模块所得到温度场为热载荷，根据实际工况下压接式IGBT模块的装配条件设置总装配力以及外部约束，进行稳态机械仿真，得到功率模块内部热应力分布，这一结果为仿真迭代的初始条件；将各接触面压力F回馈至ANSYS Maxwell模块以及steady-state thermal模块进行迭代求解，减小仿真容差，最终得到压接式IGBT模块内部应力分布的仿真结果。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
在压接型IGBT模块中，存在着电场，温度场以及机械场的多场耦合，这些物理场通过参数形成耦合关系，相互影响，最终导致压接式IGBT模块内部子单元水平方向上的温度和热应力差异。本发明为压接式IGBT模块建立相互耦合的功率损耗模型、热模型以及机械模型，实现了压接式IGBT模块电场、热场、机械场的直接耦合仿真。本发明考虑了接触电阻、接触热阻对于压接式IGBT模块内部温度以及应力分布的影响，提高了仿真的精确性。通过设置芯片材料与温度相关的电阻率，反映了芯片功率损耗随芯片结温变化的非线性过程，体现了电热耦合的思想。本发明引入了随接触面压力变化的接触热阻与接触电阻，体现了机械场与电场热场的双向耦合，同时反应了压接式IGBT模块工作时，各芯片电流分布不均的特性，提高了仿真的精确性。现有多物理场耦合仿真方案中，通过计算得到单个芯片的发热功率并设置为恒定值，不考虑其随结温的变化，而本发明的仿真方案通过设置随温度变化的电阻率，反映了IGBT芯片损耗随结温变化的性质。现有多物理场仿真不考虑压接模块中电极，钼片等的欧姆热效应，本发明的仿真方案通过电场和热场的耦合，计算了压接模块中电极以及钼片等部件的欧姆热，并直接影响模块内部温度分布，使结果更接近真实情况。现有多物理场耦合仿真方案中，通常将接触面压力对接触电阻的影响近似表示为接触面压力对不同芯片间电流分布的影响，这一近似导致了仿真的不准确，本发明的仿真方法直接设置了随接触面压力变化的接触电阻，并且考虑其热效应，进而提高了仿真的精确性。
附图说明
图1本发明ANSYS多物理场耦合仿真流程图；
图2本发明ANSYS多物理场耦合关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
由于在压接型IGBT模块中，存在着电场，温度场以及机械场的多场耦合。这些物理场通过参数形成耦合，相互影响，最终导致模块内部子单元水平方向上的温度和热应力差异。在耦合仿真中，本发明将三种物理场，抽象为三种仿真模型，分别为功率损耗模型，热模型以及机械模型。其中，功率损耗模型为数学模型，由ANSYS simpleror建立用于电路热路仿真，热模型与机械模型由ANSYS Workbench建立，用于有限元仿真，如图2所示。
耦合参数是多物理场耦合的关键，在本发明仿真过程中，耦合参数主要有IGBT芯片结温Tj，子单元接触面压力F，接触面接触热阻RTHc以及接触面接触电阻Rc。
本发明具体的耦合过程如下：每个子单元IGBT芯片的功率损耗由结温Tj、子单元集电极电流Ic以及接触电阻Rc决定，Tj为温度场仿真结果，Ic由实际工况、模块内部几何形状以及接触电阻Rc共同决定；而温度分布由内部各部件功率损耗和接触热阻决定，接触热阻RTHc受接触面温度和接触面压力F影响；应力分布由温度场仿真结果以及总装配力决定。
(1)功率损耗模型(数学模型)；
输入量：母线电流电压，开关频率f：实际工况决定；换流回路杂散参数：阀串实际模型决定；模块散热网络：根据热模型计算。
输出量：集电极电流平均值Ic。
(2)热模型(有限元模型)；
输入量：集电极电流平均值Ic：功率损耗模型计算；每层接触热阻Rc接触热阻RTHc：机械模型计算，由每层压力F决定。
输出量：模块内部温度分布：决定机械场每层压力F。
(3)机械模型(有限元模型)；机械模型为固定约束，总装配力70KN，各层连接为摩擦互联(frictional interconnections)摩擦因数0.5，散热器与C为绑定链接(bondedinterconnections)；散热器上方使用弹簧作为约束，以补偿热应力及装配力造成的位移。
输入量：外部总装配力Ftotal：由工况决定；温度分布：由热场计算；。
输出量：接触面压力F决定接触热阻和接触电阻；分别用于反馈热模型与损耗模型计算。
参见图1，本发明压接式IGBT模块多物理场耦合仿真方法，包括以下步骤：
步骤一：ANSYS simpleror计算集电极平均电流；
在ANSYS simpleror中建立MMC换流阀电路热路耦合模型。MMC换流阀电路热路耦合模型包含MMC换流阀电路拓扑结构以及压接式IGBT模块散热网络，MMC换流阀电路拓扑结构包括压接式IGBT模块以及电路杂散参数，其中压接式IGBT模块依据模块厂家datasheet所提供的输出特性、转移特性以及开关过程曲线通过simpleror自带的建模工具建立advanced dynamic module。电路杂散参数使用ANSYS Q3D提取，热网络模型根据选用模块datasheet瞬态热阻抗曲线提取，并使用MATLAB curve fitting拟合出四阶foster热网络模型。
具体的，测量出实际工况下MMC系统母线电压电流以及功率模块实际开关频率，作为仿真输入量。带入母线电压电流、功率模块开关频率等工况参数后得到单个压接模块电流随时间变化波形，并计算其平均值，作为压接式IGBT模块的集电极平均电流Ic。
步骤二：ANSYS Maxwell中计算随温度变化的发热功率；
压接式IGBT模块内部结构为多层结构，每层为不同材料，不同层间由压力连接。
芯片的发热功率为集电极电流Ic和芯片结温Tj的函数，不同工况下表达式不同，可根据芯片datasheet中提供的功率损耗曲线计算。多层结构不同材料接触面的接触电阻以及接触热阻是接触面压力的函数，该函数关系随接触面材料不同而变化，这一函数关系可由现有经验公式得到。在ANSYS Workbench中调用ANSYS Maxwell模块，设置芯片的电阻率为结温Tj的函数，各层接触电阻Rc为接触面压力F的函数，用以表现电流分布受温度的影响，并在ANSYS Maxwell模块中进行稳态电磁场仿真得到模块内部各部件功率损耗。
步骤三：ANSYS steady-state thermal中计算压接模块内部温度分布；
在steady-state thermal模块设置各层接触热阻RTHc为接触面压力F的函数形式。导入ANSYS Maxwell模块中计算的功率损耗结果进行稳态热仿真，得到压接模块内部温度分布。
步骤四：ANSYS steady-state mechanical中计算压接模块内部应力分布；
在ANSYS Workbench中调用steady-state mechanical模块，设置steady-statethermal模块所得到温度场为热载荷，根据实际工况下压接式IGBT模块的装配条件设置总装配力以及外部约束，进行稳态机械仿真，得到功率模块内部热应力分布，这一结果为仿真迭代的初始条件。将各接触面压力F回馈至ANSYS Maxwell模块以及steady-state thermal模块进行迭代求解，当仿真容差足够小时，便可得到压接式IGBT模块内部应力分布的仿真结果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案做任何形式上的限定，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的条件下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均落入由所提交权利要求划定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种压接式IGBT模块多物理场耦合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、通过ANSYS simpleror计算压接式IGBT模块的集电极平均电流；
步骤二、在ANSYS Maxwell中计算压接式IGBT模块随温度变化的发热功率；
步骤三、在ANSYS steady-state thermal中计算压接式IGBT模块的内部温度分布；
步骤四、在ANSYS steady-state mechanical中计算压接式IGBT模块内部应力分布。
2.根据权利要求1所述的压接式IGBT模块多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述的步骤一在ANSYS simpleror中建立MMC换流阀电路热路耦合模型，MMC换流阀电路热路耦合模型包含MMC换流阀电路拓扑结构以及压接式IGBT模块散热网络，MMC换流阀电路拓扑结构包括压接式IGBT模块以及电路杂散参数，压接式IGBT模块依据模块出厂datasheet所提供的输出特性、转移特性以及开关过程曲线通过simpleror的建模工具建立advanceddynamic module；电路杂散参数使用ANSYS Q3D提取，热路耦合模型根据选用模块datasheet瞬态热阻抗曲线提取，并使用MATLAB curve fitting拟合出四阶foster热网络模型。
3.根据权利要求2所述的压接式IGBT模块多物理场耦合仿真方法，其特征在于：步骤一测量实际工况下MMC换流阀电路的母线电压电流及功率模块开关频率，带入热路耦合模型得到单个压接式IGBT模块电流随时间变化波形，并计算其平均值，作为集电极平均电流。
4.根据权利要求1所述的压接式IGBT模块多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述的步骤二在ANSYS Workbench中调用ANSYS Maxwell模块，设置芯片的电阻率为结温Tj的函数，各层接触电阻Rc为接触面压力F的函数，用以表现电流分布受温度的影响，并在ANSYSMaxwell模块中进行稳态电磁场仿真得到压接式IGBT模块内部各部件功率损耗。
5.根据权利要求1所述的压接式IGBT模块多物理场耦合仿真方法，其特征在于：步骤三在steady-state thermal模块设置各层接触热阻RTHc为接触面压力F的函数形式，导入ANSYS Maxwell模块中计算的功率损耗结果进行稳态热仿真，得到压接式IGBT模块内部温度分布。
6.根据权利要求1所述的压接式IGBT模块多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述的步骤四在ANSYS Workbench中调用steady-state mechanical模块，设置steady-statethermal模块所得到温度场为热载荷，根据实际工况下压接式IGBT模块的装配条件设置总装配力以及外部约束，进行稳态机械仿真，得到功率模块内部热应力分布，这一结果为仿真迭代的初始条件；将各接触面压力F回馈至ANSYS Maxwell模块以及steady-state thermal模块进行迭代求解，减小仿真容差，最终得到压接式IGBT模块内部应力分布的仿真结果。
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