CN111931402B - 一种焊料老化状态下igbt模块结温估计方法 - Google Patents

一种焊料老化状态下igbt模块结温估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种焊料老化状态下IGBT模块结温估计方法，包括：步骤1：获取IGBT模块的几何结构参数和材料特性参数；步骤2：基于几何参数和传热性能建立定角热扩散模型；步骤3：获取IGBT模块的环境信息；步骤4：根据IGBT模块的环境信息获得焊料老化状态监测参量；步骤5：建立IGBT模块材料温度相关特性的Cauer热网络模型；步骤6：通过老化监测参量量化焊料老化对内部传热路径的影响，得到实际传热面积，更新热网络模型参数；步骤7：基于Cauer热网络模型与反馈结温实时估计IGBT模块结温。与现有技术相比，本发明具有结温估计结果精度高、有效提高评估精度和策略合理性等优点。

Description

一种焊料老化状态下IGBT模块结温估计方法
技术领域
本发明涉及IGBT模块结温估计技术领域，尤其是涉及一种焊料老化状态下自适应传热路径修正的IGBT模块结温估计方法。
背景技术
作为现代电力电子装置与系统的核心半导体器件，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的可靠性决定了系统整体的稳定性。结温是可靠性预测的关键状态特征量，其动态响应能够有效评估模块实际运行状态。然而，封装材料的良好密封性导致难以直接测量结温，通常采用基于电热比拟理论建立的RC热网络模型对其进行估计，分为Foster热网络模型和Cauer热网络模型。与反映IGBT模块整体外部热特性的Foster热网络模型不同，根据实际物理结构建立的Cauer热网络模型能够有效地表征内部热行为变化。在长期功率循环与材料热膨胀系数不匹配造成的热机械应力冲击下，焊料老化成为IGBT模块主要的失效形式之一。随着焊料老化进程的不断发展，遭到破坏的内部传热路径削弱了模块的传热能力，致使结温上升。但Cauer热网络模型建模过程中往往忽略上述机制对模型参数的影响，造成结温估计的偏差。
现有技术中，例如中国专利CN110988641A中公开的一种IGBT模块结温在线估计电路系统及方法，该方法虽然对热网络模型的参数进行了阶段性更新，但是该专利中的方法未考虑传热路径的实时偏移问题。因此，亟需一种量化IGBT模块焊料老化对内部传热路径影响的优化方法，解决传热路径偏移问题，增加热网络模型在焊料老化状态下的适应性，提高结温估计结果精度。
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结温估计结果精度高、有效提高评估精度和策略合理性的焊料老化状态下自适应传热路径修正的IGBT模块结温估计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种焊料老化状态下IGBT模块结温估计方法，该方法为内嵌在计算机内的程序，包括：
步骤1：获取IGBT模块的几何结构参数和材料特性参数；
步骤2：基于几何参数和传热性能建立定角热扩散模型；
步骤3：获取IGBT模块的环境信息；
步骤4：根据IGBT模块的环境信息获得焊料老化状态监测参量；
步骤5：建立IGBT模块材料温度相关特性的Cauer热网络模型；
步骤6：通过老化监测参量量化焊料老化对内部传热路径的影响，得到实际传热面积，更新热网络模型参数；
步骤7：基于Cauer热网络模型与反馈结温实时估计IGBT模块结温。
优选地，所述的步骤1中IGBT模块的几何结构参数包括去封装和隔热材料后各物理层的边长和厚度；所述的材料特性系数包括各层的密度以及不同温度下的传热系数和比热容。
优选地，所述的步骤2中定角热扩散模型具体为：
Figure BDA0002602129950000021
其中，θi、ki和ki+1分别为IGBT模块第i层的热扩散角度、导热系数以及第i+1层的导热系数。
优选地，所述的步骤3中IGBT模块的环境信息包括IGBT芯片正下方的壳温、基板焊料层边界正下方的壳温和环境温度。
更加优选地，所述的IGBT芯片正下方的壳温和基板焊料层边界正下方的壳温由两个分别安装在IGBT芯片正下方以及基板焊料层边界正下方的温度传感器采集；所述的环境温度由布置在IGBT模块附近环境中的温度传感器采集。
优选地，所述的步骤4中焊料老化状态监测参量具体为：
Figure BDA0002602129950000022
其中，Tdie为IGBT芯片正下方的壳温；Tside为基板焊料层边界正下方的壳温；Ta为环境温度；Rdie-side为Tdie所处位置至Tside所处位置之间的等效热阻；Rdie-a为Tdie所处位置至环境之间的等效热阻；Ploss为IGBT模块的功率损耗。
优选地，所述的步骤5中IGBT模块材料温度相关特性的Cauer热网络模型具体为：
Figure BDA0002602129950000031
Figure BDA0002602129950000032
其中：Rthi(T)、Cthi(T)、λi(T)、ci(T)、ρi、di和Ai(z)分别为温度T下第i层物理层的热阻、热容、导热系数、比热容、密度、厚度和厚度为z时的有效传热面积。
优选地，所述的步骤6具体为：
步骤6-1：判断稳定工况下参数k是否发生变化，若是，则执行步骤6-2，否则，执行步骤7；
步骤6-2：基于最小二乘法拟合获得焊料老化状态监测参量与焊料裂纹间的关系；
步骤6-3：基于定角传热模型，获得下铜层热扩散角；
步骤6-4：基于热传导理论，得到各物理层的实际传热面积；
步骤6-5：基于得到的实际传热面积对热网络参数进行更新。
更加优选地，所述的焊料老化状态监测参量与焊料裂纹间的关系具体为：
Figure BDA0002602129950000033
其中，lc为焊料裂纹长度，{qi}为拟合得到的常数序列；
所述的铜层热扩散角具体为：
Figure BDA0002602129950000034
Figure BDA0002602129950000035
其中，l6x、l6y、lx和ly分别为基板焊料层及其健康区域边长的1/2；a和b均为下铜层上表面的有效传热区域边长的1/2；d5为上铜层的厚度。
优选地，所述的步骤7中的反馈结温具体为IGBT芯片正下方的壳温，改壳温作为反馈信号输入至Cauer热网络模型。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明中的IGBT模块结温估计方法解决了IGBT模块在焊料老化状态下传热路径偏移问题，并考虑温升对材料传热特性的退化影响优化了热网络模型，提高了结温估计结果的精度，为IGBT模块焊料老化情形下的状态监测和热行为研究奠定了基础，本发明中的结温估计方法可以应用于器件的可靠性评估以及热管理策略制定，能有效提高评估精度和策略合理性。
附图说明
图1为本发明中结温估计方法的流程示意图；
图2为本发明中IGBT模块上温度传感器的布置图；
图3为本发明中材料温度相关特性的Cauer热网络模型示意图；
图4为本发明中热网络模型参数更新过程的示意图；
图5为本发明实施例中自适应传热路径修正前后参数结构函数的示意图；
图6为本发明实施例中自适应热路径修正前后结温估计示意图；
其中图6(a)、图6(b)、图6(c)和图6(d)分别为以0mm、6mm、8mm。10mm焊料裂纹为研究对象得到的结温估计示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
一种焊料老化状态下自适应传热路径修正的IGBT模块结温估计方法，其流程如图1所示，包括：
步骤1：获取IGBT模块的几何结构参数和材料特性参数；
IGBT模块的几何结构参数包括去封装和隔热材料后各物理层的边长和厚度；所述的材料特性系数包括各层的密度以及不同温度下的传热系数和比热容；
步骤2：基于几何参数和传热性能建立定角热扩散模型；
定角热扩散模型具体为：
Figure BDA0002602129950000041
其中，θi、ki和ki+1分别为IGBT模块第i层的热扩散角度、导热系数以及第i+1层的导热系数。
步骤3：获取IGBT模块的环境信息，包括IGBT模块的环境信息包括IGBT芯片正下方的壳温、基板焊料层边界正下方的壳温和环境温度；
IGBT芯片正下方的壳温和基板焊料层边界正下方的壳温由两个分别安装在IGBT芯片正下方以及基板焊料层边界正下方的温度传感器采集，环境温度由布置在IGBT模块附近环境中的温度传感器采集，本实施例中温度传感器的布置图如图2所示。
步骤4：根据IGBT模块的环境信息获得焊料老化状态监测参量，具体为：
Figure BDA0002602129950000051
其中，Tdie为IGBT芯片正下方的壳温；Tside为基板焊料层边界正下方的壳温；Ta为环境温度；Rdie-side为Tdie所处位置至Tside所处位置之间的等效热阻；Rdie-a为Tdie所处位置至环境之间的等效热阻；Ploss为IGBT模块的功率损耗；
步骤5：建立IGBT模块材料温度相关特性的Cauer热网络模型，其结构如图3所示，具体为：
Figure BDA0002602129950000052
Figure BDA0002602129950000053
其中：Rthi(T)、Cthi(T)、λi(T)、ci(T)、ρi、di和Ai(z)分别为温度T下第i层物理层的热阻、热容、导热系数、比热容、密度、厚度和厚度为z时的有效传热面积；
步骤6：通过老化监测参量量化焊料老化对内部传热路径的影响，得到实际传热面积，更新热网络模型参数，更新示意如图4所示；
具体步骤为：
步骤6-1：判断稳定工况下参数k是否发生变化，若是，则执行步骤6-2，否则，执行步骤7；
步骤6-2：基于最小二乘法拟合获得焊料老化状态监测参量与焊料裂纹间的关系：
Figure BDA0002602129950000054
其中，lc为焊料裂纹长度，{qi}为拟合得到的常数序列；
步骤6-3：基于定角传热模型，获得下铜层热扩散角：
Figure BDA0002602129950000055
Figure BDA0002602129950000056
其中，l6x、l6y、lx和ly分别为基板焊料层及其健康区域边长的1/2；a和b均为下铜层上表面的有效传热区域边长的1/2；d5为上铜层的厚度。
步骤6-4：基于热传导理论，得到各物理层的实际传热面积；
步骤6-5：基于得到的实际传热面积对热网络参数进行更新；
步骤7：利用布置在IGBT芯片正下方的温度传感器获取的IGBT芯片正下方壳温信息作为反馈信号输入至Cauer热网络模型中，对结温进行实时估计。
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，将占空比为50％，持续时间2.4s的方波信号作为热网络模型的输入。自适应传热路径修正前后10mm裂纹下的模型参数值和仿真结果如图5所示。结构函数曲线的转折点代表了各物理层之间的转换，优化后的IGBT累积热阻值更接近有限元分析得到的结壳热阻值。同时，基板焊料层与基板层较下铜层参数变化更为显著。
同时，本实施例还利用有限元瞬态热分析对所提出的方法进行进一步验证，将0mm、6mm、8mm和10mm焊料裂纹作为研究对象，得到的结温结果分别如图6(a)、图6(b)、图6(c)和图6(d)所示。在焊料裂纹产生初期，传统热网络模型、所提出的方法与有限元分析结果差距较小，但是随着裂纹的发展，传统热网络模型表现出不适应性，与有限元结果之间的误差不断加大。而提出的方法能有效地抑制传热路径变化对热网络参数的影响，更精确地表征焊料老化状态下的热行为变化，尤其是在焊料程度较高时。当焊料裂纹为10mm时，所提出模型误差仅为3.78℃，仅为传统热网络模型的25％左右。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种焊料老化状态下IGBT模块结温估计方法，该方法为内嵌在计算机内的程序，其特征在于，包括：
步骤1：获取IGBT模块的几何结构参数和材料特性参数；
步骤2：基于几何参数和传热性能建立定角热扩散模型；
步骤3：获取IGBT模块的环境信息；
步骤4：根据IGBT模块的环境信息获得焊料老化状态监测参量；
步骤5：建立IGBT模块材料温度相关特性的Cauer热网络模型；
步骤6：通过老化监测参量量化焊料老化对内部传热路径的影响，得到实际传热面积，更新Cauer热网络模型参数；
步骤7：基于Cauer热网络模型与反馈结温实时估计IGBT模块结温；
所述的步骤2中定角热扩散模型具体为：
Figure FDA0003494380390000011
其中，θi、ki和ki+1分别为IGBT模块第i层的热扩散角度、导热系数以及第i+1层的导热系数；
所述的步骤4中焊料老化状态监测参量具体为：
Figure FDA0003494380390000012
其中，Tdie为IGBT芯片正下方的壳温；Tside为基板焊料层边界正下方的壳温；Ta为环境温度；Rdie-side为Tdie所处位置至Tside所处位置之间的等效热阻；Rdie-a为Tdie所处位置至环境之间的等效热阻；Ploss为IGBT模块的功率损耗；
所述的步骤6具体为：
步骤6-1：判断稳定工况下参数k是否发生变化，若是，则执行步骤6-2，否则，执行步骤7；
步骤6-2：基于最小二乘法拟合获得焊料老化状态监测参量与焊料裂纹间的关系；
步骤6-3：基于定角热扩散模型，获得下铜层热扩散角；
步骤6-4：基于热传导理论，得到各物理层的实际传热面积；
步骤6-5：基于得到的实际传热面积对热网络参数进行更新；
所述的焊料老化状态监测参量与焊料裂纹间的关系具体为：
Figure FDA0003494380390000021
其中，lc为焊料裂纹长度，{qi}为拟合得到的常数序列；
所述的铜层热扩散角具体为：
Figure FDA0003494380390000022
Figure FDA0003494380390000023
其中，l6x、l6y、lx和ly分别为基板焊料层及其健康区域边长的1/2，其中x和y表示两个方向；a和b分别为下铜层上表面x方向和y方向的有效传热区域边长的1/2；d5为上铜层的厚度。
2.根据权利要求1所述的一种焊料老化状态下IGBT模块结温估计方法，其特征在于，所述的步骤1中IGBT模块的几何结构参数包括去封装和隔热材料后各物理层的边长和厚度；所述的材料特性参数包括各层的密度以及不同温度下的传热系数和比热容。
3.根据权利要求1所述的一种焊料老化状态下IGBT模块结温估计方法，其特征在于，所述的步骤3中IGBT模块的环境信息包括IGBT芯片正下方的壳温、基板焊料层边界正下方的壳温和环境温度。
4.根据权利要求3所述的一种焊料老化状态下IGBT模块结温估计方法，其特征在于，所述的IGBT芯片正下方的壳温和基板焊料层边界正下方的壳温由两个分别安装在IGBT芯片正下方以及基板焊料层边界正下方的温度传感器采集；所述的环境温度由布置在IGBT模块附近环境中的温度传感器采集。
5.根据权利要求1所述的一种焊料老化状态下IGBT模块结温估计方法，其特征在于，所述的步骤5中IGBT模块材料温度相关特性的Cauer热网络模型具体为：
Figure FDA0003494380390000024
Figure FDA0003494380390000025
其中：Rthi(T)、Cthi(T)、λi(T)、ci(T)、ρi、di和Ai(z)分别为温度T下第i层物理层的热阻、热容、导热系数、比热容、密度、厚度和厚度为z时的有效传热面积。
6.根据权利要求1所述的一种焊料老化状态下IGBT模块结温估计方法，其特征在于，所述的步骤7中的反馈结温具体为IGBT芯片正下方的壳温，改壳温作为反馈信号输入至Cauer热网络模型。
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