CN113391182A - 一种igbt热仿真模拟装置和半实物igbt热仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种IGBT热仿真模拟装置和半实物IGBT热仿真系统。所述IGBT热仿真模拟装置包括：金属块本体，所述金属块本体上开设有第一通孔；电热管，设置在金属块本体的一侧，由外部电源供电，根据外部电源电压以相应的发热功率产生热能；隔热板，设置在所述电热管和金属块本体之上，阻隔所述热能从所述隔热板一侧散失，所述隔热板上开设有第二通孔；测温传感器，所述测温传感器穿设所述第二通孔和第一通孔，且所述测温传感器的探头由所述第一通孔探出至所述金属块本体的另一侧，用以测量设置在所述金属块本体另一侧且与所述金属块本体通过导热硅脂贴合的散热器基板的温度。

Description

一种IGBT热仿真模拟装置和半实物IGBT热仿真系统

技术领域

本发明涉及电子电力器件技术领域，尤其涉及一种IGBT热仿真模拟装置和半实物IGBT热仿真系统。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT),是现代电气系统中最重要的电力电子器件，起到重要的电力电子开关作用，能够实现电力的各种转换。在实际的工作过程中，IGBT会有开关和导通的能量损耗，产生大量的热，若热量累积到一定程度且无法及时散出去，则可能会烧坏IGBT。因此，热设计是IGBT等电力电子器件设计的重点，直接关系到电气系统的成败。

当前针对IGBT散热系统的设计大多采用软件仿真和实物样机试验验证的方式。IGBT厂家均有比较完善的仿真系统能够根据电路拓扑结构和电路基本参数在线计算出IGBT的发热功率，例如英飞凌的IPOSIM在线仿真系统和三菱的Melcosim离线仿真软件。在获得IGBT发热功率的基础上，在样机试制前一般会提前做IGBT变流器散热系统计算机热仿真，如常用的FLOTHERM、ansys热仿真模块等热仿真软件，但软件仿真往往和实际差别很大，最主要的原因是散热器热模型参数和散热条件无法做到准确建模，尤其像热管散热器、强迫风冷散热系统等特殊系统。而实物样机试验验证最能准确反映散热系统的性能。但实物样机温度采集系统需要在散热器表面开槽(一般为1mm宽和深)预埋测温传感器或PT100，破坏散热器结构使得新散热器不能再使用，而且采集的温度为槽温，和散热表面实际温度相比已经不准确，更严重的是，执行实物样机温度采集这一验证方式的阶段已经属于产品设计的最后阶段，一旦散热系统验证失败，意味着整个电气系统需要重新设计，浪费大量的资源，同时面临很大的时间压力。

以上两种热设计的方式多有不足，不能快速响应用户需求，且新产品设计验证周期长、成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种IGBT热仿真模拟装置和半实物IGBT热仿真系统，能够通过IGBT热仿真模拟装置准确的模拟IGBT实际发热情况，很好的贴近实际工况，发热功率宽，温度测量简单准确，在不破坏散热器的条件下准确采集散热器表面温度，从而有效验证新设计装置中的IGBT的散热性能，为实物样机详细设计提供准确的技术参考。

第一方面，本发明实施例提供了一种IGBT热仿真模拟装置包括：

金属块本体，所述金属块本体上开设有第一通孔；

电热管，设置在金属块本体的一侧，由外部电源供电，根据外部电源电压以相应的发热功率产生热能；

隔热板，设置在所述电热管和金属块本体之上，阻隔所述热能从所述隔热板一侧散失，所述隔热板上开设有第二通孔；

测温传感器，所述测温传感器穿设所述第二通孔和第一通孔，且所述测温传感器的探头由所述第一通孔探出至所述金属块本体的另一侧，用以测量设置在所述金属块本体另一侧且与所述金属块本体通过导热硅脂贴合的散热器基板的温度。

优选的，所述第一通孔为T型孔，所述T型孔内设置有绝热管；

所述测温传感器为带弹簧的铠装热电偶，所述测温传感器的探头与所述金属块本体之间通过所述绝热管隔绝；

所述测温传感器的探头探出所述金属块本体的另一侧1mm-10mm，在探测所述散热器基板温度时受力时缩回并压紧弹簧，使所述探头仅由所述散热器基板的接触面处受热。

优选的，所述外部电源通过导线对所述电热管供电；

所述电热管通过引线排固定在所述金属块本体上；

所述隔热板的一侧固定有接线端子排，所述接线端子排用于固定所述导线。

优选的，所述隔热板的一侧具有手柄。

优选的，所述电热管包括依次由内层至外层的加热棒、绝缘层和金属支撑管。

进一步优选的，所述加热棒采用Cr₂₀Ni₈₀合金材料制成；

所述绝缘层采用聚醚醚酮PEEK工程塑料制成；

所述金属支撑管采用SUS304不锈钢材料制成。

优选的，所述金属块本体为铸铜或铸铝材料。

进一步优选的，所述金属块本体通过铜或铝的液态浇铸的方式形成，并与电热管贴合在一起。

第二方面，本发明实施例提供了一种半实物IGBT热仿真系统，包括上述第一方面所述的IGBT热仿真模拟装置。

优选的，所述半实物IGBT热仿真系统还包括散热器；

所述IGBT热仿真模拟装置的金属块本体通过导热硅脂贴合所述散热器的散热器基板，所述测温传感器的探头测量所述散热器基板的温度。

本发明实施例提供的IGBT热仿真模拟装置应用于半实物IGBT仿真系统中。半实物IGBT热仿真系统结合了实物的散热器系统和模拟变流器IGBT发热的模拟系统，能有效验证新设计变流器的散热性能，对变流器IGBT散热系统性能综合评估，为实物样机详细设计提供准确的技术参考。而本发明的IGBT热仿真模拟装置充分模拟了IGBT单向散热的特性，并能够准确的模拟IGBT实际发热和导热情况，使热仿真系统能够在不破坏散热器的条件下准确采集散热器表面温度，适应各类型的IGBT热仿真模拟。且本发明的IGBT热仿真模拟装置可以无限次重复使用，大大降低了变流器热设计的风险，节约了宝贵的设计生产时间。

附图说明

图1为本发明实施例提供IGBT热仿真模拟装置的示意图；

图2为本发明实施例提供IGBT热仿真模拟装置的爆炸图；

图3为本发明实施例提供的电热管的实物图；

图4为本发明实施例提供的电热管在金属块本体中的示意图；

图5为本发明实施例提供的IGBT热仿真模拟装置的测温状态示意图；

图6为本发明实施例提供的测温传感器的实物图；

图7为本发明实施例提供的金属块本体底部温度分布图；

图8为本发明实施例提供的加热传导温度分布示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例提供了一种IGBT热仿真模拟装置，能够应用于半实物IGBT仿真系统中，用以模拟IGBT单向散热的特性。并通过IGBT实际发热和导热情况，为实物样机详细设计提供准确的技术参考。

本发明提出的IGBT热仿真模拟装置，如图1和图2所示，包括：金属块本体1、电热管2、隔热板3和测温传感器4。

金属块本体1为铸铜或铸铝材料制成，在本发明方案的实际实施中，金属块本体1的形状尺寸应设计为与被模拟德实际IGBT尽量吻合。

考虑到铜、铝材料导热性好，热阻很小，可以将电热管2产生的热量均匀分布到金属块本体1的底板。通过铜或铝的液态浇铸的方式形成，并与电热管2贴合在一起，从而使得电热管2能够与金属块本体1紧密的结合，热阻小，充分将电热管2的热量传导到金属块本体1。

金属块本体1上开设有第一通孔11，优选为T型孔。

电热管2设置在金属块本体1的一侧，通过引线排5固定在金属块本体1上。电热管2由外部电源通过导线6供电。电热管2是IGBT热仿真模拟装置的核心部件，作用是利用电阻的发热特性将输入的直流电转换为热，发热功率可根据输入的电源电压线性变化，很容易实现对功率大小的控制。

图3为本发明实施例提供的电热管的实物图；电热管2包括依次由内层至外层的加热棒21、绝缘层22和金属支撑管23。

加热棒21优选采用Cr₂₀Ni₈₀合金材料制成。Cr₂₀Ni₈₀是电阻电热合金，此类合金组织稳定，高温下电阻率变化很小，电气物理特性稳定、高温力学性能好，冷变形塑性好，焊接性好，寿命长，长期使用不会产生脆性断裂，适合作为本发明1000℃以下的加热元件。

绝缘层22优选采用聚醚醚酮(PEEK)工程塑料，具有耐腐蚀抗老化、耐高温、韧性和刚性兼备、耐磨损、绝缘性能好、机械强度高、导热性能好等特性，其中的耐高温、绝缘性能优良、机械强度高、导热性能好的特性非常适合作为电热管的中间层，将导电的加热棒21和金属支撑管23、金属块本体1做了电气绝缘隔离，并且不影响将加热棒21的热量传导至金属支撑管23和金属块本体1。

最外层金属支撑管23优选采用SUS304不锈钢材料制成，具有支撑强度高、耐腐蚀、抗形变能力好，适合作为电热管2的外层骨架，而且在金属块本体1进行浇铸时能够和铜或铝材料紧密的结合，热阻小，能将加热棒21的热量充分导入到金属块本体1。

另外，电热管2采用如图3所示的连续多次U型结构设计，从而可以将热量分布更加均匀，更逼近实际IGBT基板热量分布的情况，功率范围宽响应快，能够模拟各种工况下的IGBT功率。图4为本发明实施例提供的电热管在金属块本体中的示意图。

隔热板3，设置在电热管2和金属块本体1之上，阻隔热能从隔热板3一侧散失。

通常的热传导的方式有辐射、传导、对流三种，IGBT在设计时为保证散热性能和不影响其它系统将大部分的热量传导至散热器基板，因此外壳常采用导热性很差的工程塑料，因而仅能通过对流和热辐射的方式向空气传热。隔热板3材料采用高纤维大理石复合材料，热阻系数非常高，隔热效果优良，从而使得本发明的IGBT热仿真模拟装置能很好的模拟IGBT单向导热的特性。

隔热板3上开设有第二通孔31，并且隔热板3的一侧固定有接线端子排7，接线端子排7用于固定导线6。

为了方便使用，在隔热板3的一侧还设有手柄8。手柄8可以通过螺栓固定在隔热板3上。

测温传感器4，穿设第二通孔31和第一通孔11，且测温传感器4的探头41由第一通孔11探出至金属块本体1的另一侧，用以测量设置在金属块本体1另一侧且与金属块本体通过导热硅脂10贴合的散热器基板20的温度，具体如图5所示。

优选的，测温传感器4采用铠装热电偶，如图6所示。其具有金属过渡头42，绝缘耐磨，探头41长度根据需要可进行裁剪，导线引出端设计有弹簧装置43，在保护进线端线缆的同时，还能通过金属块本体1中间的T型孔设计为探头41紧贴散热器表面提供弹簧力。

自由状态下，探头41露出加热块表面约2mm，安装时，如图5所示，探头弹簧被压缩2mm，产生约4N的力，使探头41的最前端紧贴散热器基板20表面，获得最精确温度。为防止IGBT热仿真模拟装置本身影响温度测量，热电偶探头41在金属块本体内部的部分包裹在绝热管内，只有探头41紧贴散热器基板20部分受热。UTS绝热管与T型孔通过过盈配合组装。

外部电源通过导线6给电热管2通电，在隔热板3和较低的空气辐射导热系数低共同因素主导下，电热管2发热传导至铜质或铝质的金属块本体1，热量单向传导至金属块本体1的底部，然后通过导热硅脂传导至散热器基板表面。温度梯度为金属块本体1的底部温度>导热硅脂温度>散热器基板温度，铠装热电偶在弹簧力和外部的UTS隔热管的作用下只能采集到散热器基板表面的温度，最终传送给微机采集系统，完成工作。

图7为一个具体实施例中测得的本发明实施例提供的金属块本体底部温度分布图。图8为该实施例提供的加热传导温度分布示意图。可以看到，本发明通过以上结构的IGBT热仿真模拟装置实现温度分布均匀。

本发明实施例提供的IGBT热仿真模拟装置应用于半实物IGBT仿真系统中。半实物IGBT热仿真系统结合了实物的散热器系统和模拟变流器IGBT发热的模拟系统，能有效验证新设计变流器的散热性能，对变流器IGBT散热系统性能综合评估，为实物样机详细设计提供准确的技术参考。而本发明的IGBT热仿真模拟装置充分模拟了IGBT单向散热的特性，并能够准确的模拟IGBT实际发热和导热情况，使热仿真系统能够在不破坏散热器的条件下准确采集散热器表面温度，适应各类型的IGBT热仿真模拟。通过在金属块本体开T型圆孔，通过铠装热电偶和专为热电偶设计的UTS隔热管的作用下精确测量散热器表面温度，不需要像传统样机那样在IGBT下方、散热器基板表面开槽，不需要破坏散热器结构，节省了费用，适应各种散热器，测量更准确。而且本发明的IGBT热仿真模拟装置可以无限次重复使用，大大降低了变流器热设计的风险，节约了宝贵的设计生产时间。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种IGBT热仿真模拟装置，其特征在于，所述IGBT热仿真模拟装置包括：

金属块本体，所述金属块本体上开设有第一通孔；

电热管，设置在金属块本体的一侧，由外部电源供电，根据外部电源电压以相应的发热功率产生热能；

隔热板，设置在所述电热管和金属块本体之上，阻隔所述热能从所述隔热板一侧散失，所述隔热板上开设有第二通孔；

测温传感器，所述测温传感器穿设所述第二通孔和第一通孔，且所述测温传感器的探头由所述第一通孔探出至所述金属块本体的另一侧，用以测量设置在所述金属块本体另一侧且与所述金属块本体通过导热硅脂贴合的散热器基板的温度。

2.根据权利要求1所述的IGBT热仿真模拟装置，其特征在于，所述第一通孔为T型孔，所述T型孔内设置有绝热管；

所述测温传感器为带弹簧的铠装热电偶，所述测温传感器的探头与所述金属块本体之间通过所述绝热管隔绝；

所述测温传感器的探头探出所述金属块本体的另一侧1mm-10mm，在探测所述散热器基板温度时受力时缩回并压紧弹簧，使所述探头仅由所述散热器基板的接触面处受热。

3.根据权利要求1所述的IGBT热仿真模拟装置，其特征在于，所述外部电源通过导线对所述电热管供电；

所述电热管通过引线排固定在所述金属块本体上；

所述隔热板的一侧固定有接线端子排，所述接线端子排用于固定所述导线。

4.根据权利要求1所述的IGBT热仿真模拟装置，其特征在于，所述隔热板的一侧具有手柄。

5.根据权利要求1所述的IGBT热仿真模拟装置，其特征在于，所述电热管包括依次由内层至外层的加热棒、绝缘层和金属支撑管。

6.根据权利要求5所述的IGBT热仿真模拟装置，其特征在于，

所述加热棒采用Cr₂₀Ni₈₀合金材料制成；

所述绝缘层采用聚醚醚酮PEEK工程塑料制成；

所述金属支撑管采用SUS304不锈钢材料制成。

7.根据权利要求1所述的IGBT热仿真模拟装置，其特征在于，所述金属块本体为铸铜或铸铝材料。

8.根据权利要求7所述的IGBT热仿真模拟装置，其特征在于，所述金属块本体通过铜或铝的液态浇铸的方式形成，并与电热管贴合在一起。

9.一种半实物IGBT热仿真系统，其特征在于，所述半实物IGBT热仿真系统包括上述权利要求1-7任一所述的IGBT热仿真模拟装置。

10.根据权利要求9所述的半实物IGBT热仿真系统，所述半实物IGBT热仿真系统还包括散热器；

所述IGBT热仿真模拟装置的金属块本体通过导热硅脂贴合所述散热器的散热器基板，所述测温传感器的探头测量所述散热器基板的温度。

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