CN112560318A - 一种不同工况下igbt器件各物理层温度监测仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不同工况下IGBT器件各物理层温度监测仿真方法，通过三维制图软件，建立IGBT器件的3D热仿真模型；将3D热仿真模型导入Icepak仿真软件，对3D热仿真模型进行瞬态CFD模拟计算；将CFD模拟计算结果作为Simplorer仿真软件的输入，创建降阶模型；使用Simplorer建立IGBT动态封装模型；基于封装模型在Simplorer中搭建单相PWM逆变电路拓扑模型，通过PWM控制所述拓扑模型，得到IGBT器件动态封装模型的电压和电流数据；将所述电压和电流数据输入降阶模型，得到IGBT、二极管的结温以及IGBT器件各物理层的温度随时间变化的曲线。本发明大大减少了仿真计算的时间。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件技术领域，具体涉及一种不同工况下IGBT器件各物理层温度监测仿真方法。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件是电力电子设备中必不可少的组件。对于损耗较高的大功率IGBT器件，通常需要对不同应用工况下的器件封装热特性进行评估。IGBT器件是由不同的材料层构成，如金属、陶瓷以及高分子聚合物以及填充在模块内部用来改善器件相关热性能的硅胶。传统的对IGBT器件热分析的有限元素方法(FEM)分析需要大量的仿真时间、计算资源、存储空间、硬盘空间。如果修改器件的应用工况参数，则需要重新进行仿真计算，不适合现代封装设计与优化需求。
在ANSYS Icepak(电子散热分析软件)中，对某一热模型进行瞬态CFD(计算流体动力学)模拟计算，通常需要几个小时(甚至更长)的计算时间(需要根据模型的复杂程度和计算机本身的配置决定)；工程师如果修改模型器件本身的热耗(不同载荷对应不同的热耗)，重新进行CFD模拟计算，相应的仍然需要几个小时甚至更长)的计算时间；如果需要计算不同热耗下器件的温度分布，则颇费时间。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种不同工况下IGBT器件各物理层温度监测仿真方法，解决了对IGBT器件热分析时在不同应用工况下仿真耗时的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种不同工况下IGBT器件各物理层温度监测仿真方法，包括步骤：
通过三维制图软件，建立IGBT器件的3D热仿真模型；
将IGBT器件的3D热仿真模型导入ANSYS Icepak仿真软件，对3D热仿真模型进行瞬态CFD模拟计算；
将CFD模拟计算结果作为ANSYS Simplorer仿真软件的输入，在Simplorer中创建降阶模型；
使用Simplorer建立IGBT动态封装模型；
基于IGBT动态封装模型在Simplorer中搭建单相PWM逆变电路拓扑模型，通过PWM控制所述拓扑模型，得到IGBT器件动态封装模型的电压和电流数据；将所述电压和电流数据输入降阶模型，得到IGBT、二极管的结温以及IGBT器件各物理层的温度随时间变化的曲线。
进一步的，所述三维制图软件为SolidWorks。
进一步的，所述通过三维制图软件，建立IGBT器件的3D热仿真模型，包括：
根据IGBT器件封装的内部各几何结构层的尺寸，使用SolidWorks三维制图软件建立IGBT器件的3D热仿真模型。
进一步的，所述将IGBT器件的3D热仿真模型导入仿真软件，对3D热仿真模型进行瞬态CFD模拟计算，包括：
将IGBT器件的3D热仿真模型导入仿真软件，对该模型各个物理层添加其相应材料热学特性，进行网格划分以及设定该模型的边界条件和初始条件，使用仿真软件完成瞬态CFD模拟计算。
进一步的，所述使用仿真软件建立IGBT动态封装模型，包括：
根据器件厂商提供的数据手册文件，设置IGBT器件的额定电压、额定电流、额定参考温度、集射极饱和电压、门极驱动电压；
设置在IGBT被击穿时的参数；
设置IGBT半桥测试电路参数；
拟合IGBT传输特性曲线；
拟合IGBT输出特性曲线；
拟合二极管正向偏压特性曲线；
提取不同工况下动态参数：开通损耗Eon、关断损耗Eoff、开通延迟时间Td on、关断延迟时间Td off；验证步骤提取的动态参数的有效性；
得到动态封装的IGBT器件模型。
进一步的，所述在IGBT被击穿时的参数包括：击穿电压、击穿电流、击穿时的温度、门射极击穿电压、击穿时集射极电阻和击穿时门射极电阻；
IGBT半桥测试电路参数包括：门极电阻、门极连接电感和杂散电感。
进一步的，所述通过PWM控制所述拓扑模型，得到IGBT器件动态封装模型的电压和电流数据，将所述电压和电流数据输入降阶模型，得到IGBT、二极管的结温以及IGBT器件各物理层的温度随时间变化的曲线，包括：
通过PWM控制方法控制单相PWM逆变电路；
PWM控制的输入量为开关频率、调制比和仿真时间，PWM控制的输出量为IGBT器件动态封装模型的管脚驱动触发信号；
将所述拓扑模型中的一个IGBT器件动态封装模型的IGBT的电压和电流输入到降阶模型的IGBT损耗输入引脚，以及其二极管的电压和电流输入到降阶模型的二极管损耗输入引脚，从而得到IGBT、二极管的结温以及所关注的物理材料层的温度随时间变化的曲线。
进一步的，根据IGBT器件应用工况，通过输入不同的PWM控制的输入量，得到不同物理层温度随时间的变化曲线。
本发明所达到的有益效果：
本发明使用ANSYS Icepak和Simplorer进行场路耦合模拟，在Simplorer中修改器件的输入参数，仅仅花费秒级的计算时间，便可以得到此工况下，器件温度随时间的变化曲线，重复同样的步骤，便可以计算得到不同热耗下器件的温升曲线。大大减少了仿真计算的时间，同时计算的过程也大大简化。使用Simplorer建立的IGBT动态封装模型，与理想开关模型相比，通过动态封装模型可仿真计算出IGBT导通、关断的动态效应，IGBT器件的导通、关断特性仿真更加精确。
附图说明
图1为本发明实施例中的仿真方法流程图；
图2为本发明实施例中的降阶模型；
图3为本发明实施例中的IGBT器件的动态封装模型创建流程图；
图4为本发明实施例中的单相PWM逆变电路拓扑模型电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种不同工况下IGBT器件各物理层温度监测仿真方法，包括步骤：
步骤一，通过SolidWorks三维制图软件，建立IGBT器件的3D热仿真模型；
根据IGBT器件封装的内部各几何结构层的尺寸，使用SolidWorks三维制图软件建立IGBT器件的3D热仿真模型；
步骤二，将IGBT器件的3D热仿真模型导入ANSYS Icepak仿真软件，对3D热仿真模型进行瞬态CFD模拟计算；
将IGBT器件的3D热仿真模型导入ANSYS Icepak仿真软件，对该模型各个物理层添加其相应材料热学特性，然后进行网格划分以及设定该模型的边界条件和初始条件，使用ANSYS Icepak仿真软件完成瞬态CFD模拟计算；
步骤三，将CFD模拟计算结果作为ANSYS Simplorer仿真软件(多物理域仿真软件)的输入，在Simplorer中创建降阶模型(ROM，Reduced Ordered Model)；
ANSYS Simplorer利用模型降阶技术提取相应的网络模型创建降阶模型ROM。
如图2所示，例如，降阶模型SML左侧分别为6个IGBT和6个二极管diode的损耗输入引脚，模型右侧为仿真中特别关注的封装材料层输出参数管脚，分别为基板base，DBC(覆铜陶瓷衬板)焊层：solder_dbc1、solder_dbc2，DBC：dbc1、dbc2，IGBT芯片焊层：solder_igbt1、solder_igbt2、solder_igbt3、solder_igbt4、solder_igbt5、solder_igbt6，二极管芯片焊层：solder_diode1、solder_diode2、solder_diode3、solder_diode4、solder_diode5、solder_diode6。
输入管脚与输出管脚数目是可变的，可以是一个或多个。
输出管脚参数设置是可变的，可以是不同封装材料或相同封装材料。
步骤四，使用Simplorer建立IGBT动态封装模型；
根据IGBT器件厂商提供的Datasheet(数据手册)文件中的电压、电流、电感等参数以及输出特性、转移特性及开关过程曲线建立IGBT动态封装模型，得到导通、关断特性更加准确的IGBT器件的行为模型；
如图3所示，使用Simplorer创建IGBT动态封装模型包括以下步骤：
1)根据器件厂商提供的Datasheet文件，设置IGBT器件的额定电压、额定电流、额定参考温度、集射极饱和电压、门极驱动电压；
2)设置在IGBT被击穿时的参数：击穿电压、击穿电流、击穿时的温度、门射极击穿电压、击穿时集射极电阻、击穿时门射极电阻；
3)设置IGBT半桥测试电路参数：门极电阻、门极连接电感、杂散电感；
4)拟合IGBT传输特性曲线；
5)拟合IGBT输出特性曲线；
6)拟合二极管正向偏压特性曲线；
7)提取不同工况下动态参数：开通损耗Eon、关断损耗Eoff、开通延迟时间Td on、关断延迟时间Td off；
8)验证步骤7)提取的动态参数的有效性；
得到动态封装的IGBT器件模型；
创建IGBT器件模型时，可同时设置并拟合IGBT与二极管的热特性参数。
步骤五，在Simplorer中搭建单相PWM逆变电路拓扑模型，如图4所示，该模型主要由电源E1、电容C1、C2、电感L1、电阻R1、IGBT器件动态封装模型T1、T2、T3、T4组成。
通过PWM控制方法控制单相PWM逆变电路，PWM控制方法采用基于Simplorer C模型编辑器编写的C代码控制程序，输入量为开关频率fc、调制比m、仿真时间time，控制输出量为图中4个IGBT器件动态封装模型的管脚驱动触发信号。
将图4中的IGBT器件动态封装模型T1的IGBT的电压Vce和电流IC输入到降阶模型的IGBT损耗输入引脚，T1的二极管的电压V和电流I输入到降阶模型的二极管损耗输入引脚，从而得到IGBT、二极管的结温以及所关注的物理材料层的温度随时间变化的曲线。
步骤六，根据IGBT器件应用工况，通过输入电压、开关频率、调制比等不同的运行参数，得到不同物理层温度随时间的变化曲线。
根据IGBT器件应用工况，在PWM控制程序中输入或改变电压、开关频率、调制比等运行参数，仅仅花费秒级的计算时间，便可以得到此热耗下，芯片结温、不同物理层的温度随时间的变化曲线。重复同样的步骤，便可以计算得到不同热耗下器件的温升曲线。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种不同工况下IGBT器件各物理层温度监测仿真方法，其特征在于：包括步骤：
通过三维制图软件，建立IGBT器件的3D热仿真模型；
将IGBT器件的3D热仿真模型导入ANSYS Icepak仿真软件，对3D热仿真模型进行瞬态CFD模拟计算；
将CFD模拟计算结果作为ANSYS Simplorer仿真软件的输入，在Simplorer中创建降阶模型；
使用Simplorer建立IGBT动态封装模型；
基于IGBT动态封装模型在Simplorer中搭建单相PWM逆变电路拓扑模型，通过PWM控制所述拓扑模型，得到IGBT器件动态封装模型的电压和电流数据；将所述电压和电流数据输入降阶模型，得到IGBT、二极管的结温以及IGBT器件各物理层的温度随时间变化的曲线。
2.根据权利要求1所述的一种不同工况下IGBT器件各物理层温度监测仿真方法，其特征是：所述三维制图软件为SolidWorks。
3.根据权利要求1所述的一种不同工况下IGBT器件各物理层温度监测仿真方法，其特征是：所述通过三维制图软件，建立IGBT器件的3D热仿真模型，包括：
根据IGBT器件封装的内部各几何结构层的尺寸，使用SolidWorks三维制图软件建立IGBT器件的3D热仿真模型。
4.根据权利要求1所述的一种不同工况下IGBT器件各物理层温度监测仿真方法，其特征是：所述将IGBT器件的3D热仿真模型导入仿真软件，对3D热仿真模型进行瞬态CFD模拟计算，包括：
将IGBT器件的3D热仿真模型导入仿真软件，对该模型各个物理层添加其相应材料热学特性，进行网格划分以及设定该模型的边界条件和初始条件，使用仿真软件完成瞬态CFD模拟计算。
5.根据权利要求1所述的一种不同工况下IGBT器件各物理层温度监测仿真方法，其特征是：所述使用仿真软件建立IGBT动态封装模型，包括：
根据器件厂商提供的数据手册文件，设置IGBT器件的额定电压、额定电流、额定参考温度、集射极饱和电压、门极驱动电压；
设置在IGBT被击穿时的参数；
设置IGBT半桥测试电路参数；
拟合IGBT传输特性曲线；
拟合IGBT输出特性曲线；
拟合二极管正向偏压特性曲线；
提取不同工况下动态参数：开通损耗Eon、关断损耗Eoff、开通延迟时间Tdon、关断延迟时间Tdoff；验证步骤提取的动态参数的有效性；
得到动态封装的IGBT器件模型。
6.根据权利要求5所述的一种不同工况下IGBT器件各物理层温度监测仿真方法，其特征是：所述在IGBT被击穿时的参数包括：击穿电压、击穿电流、击穿时的温度、门射极击穿电压、击穿时集射极电阻和击穿时门射极电阻；
IGBT半桥测试电路参数包括：门极电阻、门极连接电感和杂散电感。
7.根据权利要求1所述的一种不同工况下IGBT器件各物理层温度监测仿真方法，其特征是：所述通过PWM控制所述拓扑模型，得到IGBT器件动态封装模型的电压和电流数据，将所述电压和电流数据输入降阶模型，得到IGBT、二极管的结温以及IGBT器件各物理层的温度随时间变化的曲线，包括：
通过PWM控制方法控制单相PWM逆变电路；
PWM控制的输入量为开关频率、调制比和仿真时间，PWM控制的输出量为IGBT器件动态封装模型的管脚驱动触发信号；
将所述拓扑模型中的一个IGBT器件动态封装模型的IGBT的电压和电流输入到降阶模型的IGBT损耗输入引脚，以及其二极管的电压和电流输入到降阶模型的二极管损耗输入引脚，从而得到IGBT、二极管的结温以及所关注的物理材料层的温度随时间变化的曲线。
8.根据权利要求7所述的一种不同工况下IGBT器件各物理层温度监测仿真方法，其特征是：根据IGBT器件应用工况，通过输入不同的PWM控制的输入量，得到不同物理层温度随时间的变化曲线。
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