CN110569529B - 一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法，包括：步骤S1：获取功率器件的几何参数及结构和材料系数及类别；步骤S2：基于几何参数及结构和材料系数及类别得到相邻材料层之间热传导角度的相关关系，并建立异质材料层的自适应传热角度模型；步骤S3：通过传热角度计算各层的有效传热面积，构建功率器件的Cauer热网络模型；步骤S4：采集环境温度，基于Cauer热网络模型并结合功率器件的损耗模型获取结温。与现有技术相比，本发明具有结温估计更加准确等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子器件可靠性领，尤其是涉及一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法。
背景技术
作为新能源转换系统及高压电力开关装置中的核心器件，功率器件的安全可靠运行关系到系统的整体稳定性。芯片在功率循环和热循环波动电热应力冲击下，极易出现热机械应力反复冲击导致的封装断裂和电应力失效。为此，大量的器件发热机制和传热过程研究以构建热源-传导-散热-失效的完备分析模型为目标，探究器件工作模式下的热失效机理及其影响因素，进而为器件的整体可靠性设计和优化热奠定理论基础。其中，基于热容、热阻的RC等效热-电转换模型，如Foster模型和Cauer模型等，虽然能对器件热传递过程直观量化，特别是相对于Foster模型以整体结温描述热传递方式而言，Cauer模型将器件物理构造具体等效为节点、热阻及热容，能够最大程度反映热量传递的实际过程，结温估计更为准确。但由于在Cauer热网络模型参数计算中，较少考虑物理材质层的异质特性所导致的热传递角度不同，且未加入温度波动对模型参数的影响，致使传热路径偏离实际传热情况，器件热网络模型的结温估计结果存在误差。现有的结温估计方法中，往往将热网络模型中各层间的传热角度设定为固定值，如考虑到计算的简便性将其设定为45°，尚未有针对传热角度的结温估计优化方法。
因此，亟需一种针对功率器件内部热传导机制的优化方法解决异质材料间传热角度的差异问题，以优化传热网络，进而提高热网络模型结温估计的准确性，满足功率器件可靠性的高精度要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法，包括：
步骤S1：获取功率器件的几何参数及结构和材料系数及类别；
步骤S2：基于几何参数及结构和材料系数及类别得到相邻材料层之间热传导角度的相关关系，并建立异质材料层的自适应传热角度模型；
步骤S3：通过传热角度计算各层的有效传热面积，构建功率器件的Cauer热网络模型；
步骤S4：采集环境温度，基于Cauer热网络模型并结合功率器件的损耗模型获取结温。
所述步骤S1中功率器件的几何参数具体包括去封装和隔热材料后各层的边长和厚度，材料系数具体包括各物理材料层的传热系数，密度，厚度和比热容。
所述步骤S1中功率器件的几何结构具体包括芯片层，芯片焊料层，DCB上铜层，DCB基片层，DCB下铜层，基板焊料层和底板层；材料类别具体包括硅，铜，氧化铝，银基铜。
所述骤S2中自适应传热角度模型如下：
其中：tanθi(T)为温度为T时材料层i内热量传递方向与z轴的角度，tanθi+1(T)为温度为T时材料层i+1内热量传递方向与z轴的角度，ki(T)为温度为T时第i层的导热系数，ki+1(T)为温度为T时第i+1层的导热系数，T为温度。
所述步骤S3中功率器件的Cauer热网络模型具体为：
其中：Rth(T)为温度为T时的热阻，k(T)为温度为T时的材料导热系数，A(z,T)为厚度为z处温度T下的有效传热面积，d为材料层的厚度，Cth(T)为温度为T时的热容，c(T)为温度为T时的材料比热容，ρ为材料密度。
所述Cauer热网络模型中，第i+1层在厚度为z温度T下的有效传热面积具体为：
Ai+1(z,T)＝[ai,k+2zi tanθi+1(T)][bi,k+2zi tanθi+1(T)]
其中：Ai+1(z,T)为，ai,k、bi,k为第i层在厚度di,k处的有效传热面积的边长，zi为第i层的厚度，tanθi+1(T)为温度为T时第i+1层的导热系数。
所述功率器件的损耗模型包括IGBT的通态模型、开断模型和FWD的通态模型、开断模型。
所述步骤S4具体包括：
步骤S41：基于功率器件的损耗模型获得热流损耗；
步骤S42：基于Cauer热网络模型获得等效热阻抗；
步骤S43：采集环境温度，并得到结温：
Tj(t)＝Ploss(t)·Zth(t)+Tambient
其中：Tj(t)为结温，Ploss(t)为热流损耗，Zth(t)为等效热阻抗，Tambient为环境温度。
所述方法还包括：
步骤S5：判断结温增加值是否到达限定值x，若是则返回步骤S2，更新从tn+1时刻开始的结温估计结果；
步骤S6：判断结温是否达到稳定值，若否则回到步骤S4；若是则结束，输出结温估计结果。
所述步骤S5具体包括：
步骤S51：通过自适应传热角度模型中参数的温度属性设定热网络模型的结温阈值；
步骤S52：实时采集热网络模型的结温估计结果，并将实时温度与tn时刻温度对比作差，获得结温差；
步骤S53：将结温差与结温阈值对比，若未达到阈值则回到步骤S3；若达到阈值，则更新温度信息，回到步骤S2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：解决了功率器件传热特性中异质材料层之间传热角度的差异性问题，并加入实时温度的影响优化传热网络，显著提高了结温估计的准确性，为功率器件的异质层间传热特性自适应估算及电热耦合参数提取奠定基础。本发明可以应用于器件设计和可靠性测试，能够有效提高设计精度和测试准确性。
附图说明
图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；
图2为本发明功率器件的异质材料层间传热路径示意图；
图3为本发明功率器件的热网络模型示意图；
图4为本发明自适应传热角度优化前后数值计算和电路仿真示意图；
图5为本发明自适应传热角度优化前后结温估计示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
针对功率器件传热特性中异质材料层之间传热角度的差异性问题，本申请提出了一种基于自适应传热角度优化热网络模型的功率器件结温估计方法。该方法在热传导机制下建立自适应传热角度模型，并将实时结温的影响加入热网络模型中，完善了热网络模型的传热路径，并显著提高结温估计精度。
一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法，如图1所示，包括：
步骤S1：获取功率器件的几何参数及结构和材料系数及类别，在本实施例中，通过将功率器件去封装去隔热材料获取其内部各物理层的几何信息，具体为各层的边长和厚度。通过查阅数据库获得材料的各项属性，包括传热系数，密度，厚度和比热容。其中，内部的7层物理结构分别为芯片层，芯片焊料层，DCB上铜层，DCB基片层，DCB下铜层，基板焊料层和底板层；材料具体包括硅，铜，氧化铝，银基铜，部分材料系数具有温度效应。
步骤S2：在基本假设条件下，利用傅里叶热力学定律推导出相邻材料层之间热传导角度的相关关系，并建立异质材料层的自适应传热角度模型，其中自适应传热角度模型如下：
其中：tanθi(T)为温度为T时材料层i内热量传递方向与z轴的角度，tanθi+1(T)为温度为T时材料层i+1内热量传递方向与z轴的角度，ki(T)为温度为T时第i层的导热系数，ki+1(T)为温度为T时第i+1层的导热系数，T为温度。
步骤S3：通过传热角度计算各层的有效传热面积，构建功率器件的Cauer热网络模型。
在本实例中，通过Cauer型热网络模型对功率器件内热量分布过程进行定量模拟，将其内部物理构造具体等效为节点、热阻及热容组成，最大程度反映热量传递的实际过程。一组热阻，热容代表功率器件中的特定材料层，将该材料层中热量传递整体等效为一个集中电路，热量传递路径如图2所示，其中所述步骤S3模型具体参数即热阻和热容的获取如下：
其中：Rth(T)为温度为T时的热阻，k(T)为温度为T时的材料导热系数，A(z,T)为厚度为z处温度T下的有效传热面积，d为材料层的厚度，Cth(T)为温度为T时的热容，c(T)为温度为T时的材料比热容，ρ为材料密度。
Cauer热网络模型中，第i+1层在厚度为z温度T下的有效传热面积具体为：
Ai+1(z,T)＝[ai,k+2zi tanθi+1(T)][bi,k+2zi tanθi+1(T)]
其中：Ai+1(z,T)为，ai,k、bi,k为第i层在厚度di,k处的有效传热面积的边长，zi为第i层的厚度，tanθi+1(T)为温度为T时第i+1层的导热系数。
步骤S4：采集环境温度，基于Cauer热网络模型并结合功率器件的损耗模型获取结温。功率器件的损耗模型包括IGBT的通态模型、开断模型和FWD的通态模型、开断模型，如图3所示，具体包括：
步骤S41：基于功率器件的损耗模型获得热流损耗；
步骤S42：基于Cauer热网络模型获得等效热阻抗；
步骤S43：采集环境温度，并得到结温：
Tj(t)＝Ploss(t)·Zth(t)+Tambient
其中：Tj(t)为结温，Ploss(t)为热流损耗，Zth(t)为等效热阻抗，Tambient为环境温度。
其中热流损耗采用PWM波，一个周期内的热流损耗的获得具体为：
Ploss(t)＝100·[u(t)-u(t-1)]
其中：u(t)为单位阶跃函数。
步骤S5：判断结温增加值是否到达限定值x，若是则返回步骤S2，更新从tn+1时刻开始的结温估计结果，具体包括：
步骤S51：通过自适应传热角度模型中参数的温度属性，分析造成材料属性显著改变的温度增量，综合四种材料对应的温度增量，设定贡献值并排序，以此获取热网络模型的结温阈值Tth；
步骤S52：通过高速红外成像仪实时采集热网络模型的结温估计结果，并将实时温度与tn时刻温度对比作差，获得结温差；
步骤S53：将结温差与结温阈值对比，若未达到阈值则回到步骤S3；若达到阈值，则更新温度信息，回到步骤S2。
步骤S6：判断结温是否达到稳定值，若否则回到步骤S4；若是则结束，输出结温估计结果。
本实施例以电路仿真为例对所提出方法进行验证。选用SKM50GB12T4型IGBT模块，以功率循环电路中的方波功耗作为热网络模型的输入，功率因数为50％，热流作用时间为2s，设置热网络模型环境初始温度为50℃。自适应传热角度优化前后数值计算和电路仿真结果图如图4所示。结构曲线的转折点表示了材料层的变化，依据每层的材料属性自适应调整优化后的部分有效传热面积降低，造成模块的累积热阻增大，累积热容减小。其中焊料层和DCB基片层的传热角度小于5°，可近似为垂直向下传输，铜层传热角度较接近，可近似为45°棱台状传输。经优化后的各物理层的累积热阻值与数据手册中提供的结壳间稳态热阻值更接近。同时，电路仿真下的结温波动趋势基本一致，结温整体偏高，与等效热阻升高的结果相符合。
本实施例利用有限元瞬态热仿真对所提出方法进行进一步验证，如图5所示。方波损耗模型输入下的IGBT模块的结温变化中，有限元仿真结果具有31.83℃的变化范围，自适应传热角度优化后的网络模型计算结果为30.12℃的变化范围，传统固定角度网络模型只有19.24℃的变化范围；优化后的热网络模型与仿真结果相拟合，体现了通过对热量传递角度进行传热模型优化对结温的变化具有更精确的模拟效果，结温估计的峰谷抽样值误差在0-5℃波动，是传统固定角度传热模型结温估计误差的50％。
在本实施例中所述步骤S6具体包括：结温差T保持相对恒定或呈周期变化，则为达到结温稳定。具体波动范围依据热网络模型的损耗输入设定。
Claims (8)
1.一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法，其特征在于，包括：
步骤S1：获取功率器件的几何参数、几何结构、材料系数、材料类别；
步骤S2：基于几何参数、几何结构、材料系数、材料类别得到相邻材料层之间热传导角度的相关关系，并建立异质材料层的自适应传热角度模型；
步骤S3：通过传热角度计算各层的有效传热面积，构建功率器件的Cauer热网络模型；
步骤S4：采集环境温度，基于Cauer热网络模型并结合功率器件的损耗模型获取结温；
所述步骤S2中自适应传热角度模型如下：
其中：tanθi(T)为温度为T时材料层i内热量传递方向与z轴的角度，tanθi+1(T)为温度为T时材料层i+1内热量传递方向与z轴的角度，ki(T)为温度为T时第i层的导热系数，ki+1(T)为温度为T时第i+1层的导热系数，T为温度；
所述步骤S3中功率器件的Cauer热网络模型具体为：
其中：Rth(T)为温度为T时的热阻，k(T)为温度为T时的材料导热系数，A(z,T)为厚度为z处温度T下的有效传热面积，d为材料层的厚度，Cth(T)为温度为T时的热容，c(T)为温度为T时的材料比热容，ρ为材料密度。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法，其特征在于，所述步骤S1中功率器件的几何参数具体包括去封装和隔热材料后各层的边长和厚度，材料系数具体包括各物理材料层的传热系数，密度，厚度和比热容。
3.根据权利要求2所述的一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法，其特征在于，所述步骤S1中功率器件的几何结构具体包括芯片层，芯片焊料层，DCB上铜层，DCB基片层，DCB下铜层，基板焊料层和底板层；材料类别具体包括硅，铜，氧化铝，银基铜。
4.根据权利要求1所述的一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法，其特征在于，所述Cauer热网络模型中，第i+1层在厚度为z温度T下的有效传热面积具体为：
Ai+1(z,T)＝[ai,k+2zitanθi+1(T)][bi,k+2zitanθi+1(T)]
其中：ai,k、bi,k为第i层在厚度di,k处的有效传热面积的边长，zi为第i层的厚度，tanθi+1(T)为温度为T时第i+1层的导热系数。
5.根据权利要求1所述的一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法，其特征在于，所述功率器件的损耗模型包括IGBT的通态模型、开断模型和FWD的通态模型、开断模型。
6.根据权利要求1所述的一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
步骤S41：基于功率器件的损耗模型获得热流损耗；
步骤S42：基于Cauer热网络模型获得等效热阻抗；
步骤S43：采集环境温度，并得到结温：
Tj(t)＝Ploss(t)·Zth(t)+Tambient
其中：Tj(t)为结温，Ploss(t)为热流损耗，Zth(t)为等效热阻抗，Tambient为环境温度。
7.根据权利要求1所述的一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤S5：判断结温增加值是否到达限定值x，若是则返回步骤S2，更新从t n+1时刻开始的结温估计结果；
步骤S6：判断结温是否达到稳定值，若否则回到步骤S4；若是则结束，输出结温估计结果。
8.根据权利要求7所述的一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
步骤S51：通过自适应传热角度模型中参数的温度属性设定热网络模型的结温阈值；
步骤S52：实时采集热网络模型的结温估计结果，并将实时温度与tn时刻温度对比作差，获得结温差；
步骤S53：将结温差与结温阈值对比，若未达到阈值则回到步骤S3；若达到阈值，则更新温度信息，回到步骤S2。
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