CN113536627B - 一种多芯片igbt模块热安全运行域刻画方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法，首先，在ANSYS Q3D中建立IGBT模块的杂散电感提取模型，得到内部DBC布局的杂散电感矩阵；其次，分析IGBT瞬态开通过程中电流分布不均匀的机理，建立IGBT模块内部各芯片开通损耗的不均匀模型；在COMSOL中建立IGBT模块热阻提取的有限元热模型，得到不同散热条件下各芯片的热阻，包括自热阻和耦合热阻。基于仿真得到的热阻数据，拟合得到IGBT模块内部芯片的热阻网络随散热性能变化的解析模型；最后，在MATLAB脚本中编写多芯片IGBT模块的批量化结温计算程序，并基于不同工况下的最高芯片结温刻画器件的热安全运行域。

Description

一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法

技术领域

本发明涉及功率半导体模块领域，具体涉及一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法。

背景技术

作为电力电子变换器的核心，功率半导体模块在很大程度上决定了整个系统的关键性能，例如效率、成本和可靠性等。随着电力电子系统功率等级的提升，IGBT模块内部通常由众多IGBT芯片并联组成，以提升器件的带载能力。但是，由于模块布局的不对称性，每个芯片的电热行为很难完全保持一致，增加了单个IGBT芯片的过热风险，进而影响到整个系统的安全可靠运行。因此，需要充分考虑并联芯片的电热特性差异以准确计算模块内部中每个芯片的功率损耗和结温。

目前的IGBT模块的快速计算方法都是针对整个模块，无法深入到模块内部的具体芯片，没有考虑芯片间的动态电流不均衡及热耦合的效应，造成计算结果相比于实际情况偏低，不利于器件的安全应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法，以解决现有技术存在的问题，本发明充分考虑并联芯片温度差异，将动态电流不均衡及热耦合两种效应用解析公式描述，因此能够在短时间内快速扫描不同工况下并联芯片的最高结温，进而刻画IGBT模块的热安全运行域，对于功率器件的快速选型及变换器的安全高效设计具有重要的意义。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法，包括以下步骤；

步骤一：在ANSYS Q3D中建立IGBT模块的杂散电感提取模型，得到内部DBC布局的杂散电感矩阵；

步骤二：分析IGBT瞬态开通过程中电流分布不均匀的机理，利用步骤一中得到的杂散电感矩阵，建立IGBT模块内部各芯片开通损耗的不均匀模型；

步骤三：在COMSOL中建立IGBT模块热阻提取的有限元热模型，得到不同散热条件下各芯片的热阻，基于仿真得到的热阻数据，拟合得到IGBT模块内部芯片的热阻网络随散热性能变化的解析模型；

步骤四：结合上述建立的开通损耗的不均匀模型和热阻解析模型，在MATLAB脚本中编写多芯片IGBT模块的批量化结温计算程序，并基于不同工况下的最高芯片结温刻画器件的热安全运行域。

进一步地，步骤一中内部DBC布局的杂散电感矩阵包括各并联回路的自感及互感。

进一步地，步骤一中具体的提取过程为：

将DBC上铜层在芯片中点处断开并分别设置Source和Sink，前三次每次提取一个并联回路的所有杂散电感及互感L_C和M_C，最后一次提取键合线上的杂散电感L_W，提取频率设置为20MHz。

进一步地，步骤二中分析IGBT瞬态开通过程中电流分布不均匀的机理具体为：

当下桥臂接受到开通信号后，栅-射极电压逐步上升，当电压上升至大于阈值电压时，电流开始流过器件，此时各个芯片的栅极-发射极电压表示为公式(1)：

其中U_GO为栅极与模块AC端两点间电压，U_GEk为第k个芯片的栅射极电压，L_W为键合线上的杂散电感，i_{REF_k}为第k个芯片的开通电流，i_BC为BC两点间电流，L_Ci、M_{C_i}、M_{Ci_i+1}为不同回路的杂散电感、互感值；

假设不同回路的互感值M_{c2_1}和M_{c2_2}相差不大时，用公式(2)将互感解耦：

其中i_AB、i_BC分别为AB、BC两点间电流，M_{C_i}、M_{Ci_i+1}为不同回路的互感值；

将并联芯片间的损耗比例转化为开通时流过芯片的电流比例，如公式(3)所示：

将电流上升阶段用公式(4)线性化表示：

其中t_r为开通时的电流上升时间，除此之外，IGBT线性区电压和电流的关系用公式(5)近似表示：

其中β是由器件结构和掺杂浓度确定的常数，由数据手册提取，I_C为并联芯片的总开通电流，U_th为芯片的阈值电压，I_{REF_k}为第k个芯片用于表征损耗比例的等效电流值，联立公式(1)-(5)，得到芯片间的开通损耗比例为：

其中

其中L_EQC2＝L_C2-(M_{C2_2}+M_{C2_1})/2，L_EQC1＝L_C1-(M_{C1_2}+M_{C1_1})/2，L_EQC＝L_C-(M_{C_2}+M_{C_1})/2，I_REF＝[I_{REF_4},I _{REF_5},I _{REF_6}]^T，I＝[1,1,1]^T，E为三阶单位矩阵。

进一步地，根据开通损耗比例关系，得到单个芯片的单个芯片的不均匀开通损耗模型，如公式(9)-(12)所示：

其中E_{on_ref}，E_{off_ref}和E_{rr_ref}分别是功率模块忽略芯片之间的温差的总开通、关断和反向恢复损耗，△T_{j_i}是各个IGBT芯片的结温T_{j_i}与并联IGBT芯片的平均温度T_jav之差，△T_{dj_i}是各个二极管芯片的结温T_{dj_i}与并联二极管芯片的平均温度T_djav之间的差异。

进一步地，步骤三中各芯片的热阻包括自热阻和耦合热阻。

进一步地，步骤三中采用如下拟合公式得到每两个芯片间的耦合热阻：

R_thm,n＝a×h^b+c (13)

其中R_thm,n表示芯片m产生损耗时，芯片n的耦合热阻，h为对流换热系数，a,b和c为拟合系数，最终得到IGBT模块内部芯片的热阻网络随散热性能变化的解析模型如公式(14)所示：

进一步地，步骤四中在MATLAB脚本中编写多芯片IGBT模块的批量化结温计算程序，批量计算不同母线电压和负载电流下模块内部芯片的最高结温，首先设定扫描电压及电流的上下限，然后用公式(15)-(22)计算一个工频周期下各芯片的平均损耗，在计算过程中假定一个开关周期内电流是恒定的，同时假设一个工频周期内结温也为恒定；

其中i为开关周期的次数，I为输出电流的有效值，f_out为输出工频周期，f_W为器件的开关频率，Q为输出的功率因数，T_on(i)为第i个开关周期的导通时间，E_{CON_H}(i)，E_{DCON_H}(i)，E_{CON_L}(i)和E_{DCON_L}(i)分别是第i个开关周期上下桥臂IGBT和二极管芯片的导通损耗，将各芯片的损耗与热阻网络结合，得到各芯片的结温为：

T＝P×R_th+T_aI (23)

其中P＝[P_{IGBT_1},P_{Diode_1},P_{IGBT_2},P_{Diode_2}…P_{IGBT_6},P_{Diode_6}],T＝[T_{j_1},T_{dj_1},T_{j_2},T_{dj_2}…T_{j_6},T_{dj_6}]，由于损耗和结温具有很强的耦合关系，因此需要进行迭代至结温稳定，迭代收敛条件为：

其中n为迭代次数，当芯片中最高结温超过150℃，认定模块发生热失效，此时增大母线电压重复计算直至完成所有工况的扫描，即得到热安全域。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)现有IGBT模块的快速结温计算多基于查表法，将整个模块视为整体计算，不能得到并联芯片的具体损耗；本发明提出描述动态不均衡电流效应的损耗模型，进而能够准确计算单个芯片的功率损耗。

(2)现有IGBT模块的快速结温计算多基于一维的热阻，无法描述芯片间的热耦合效应，且热阻的值不随散热变化，与实际情况差异较大；本发明提出考虑热耦合效应的热阻矩阵模型，并建立热阻值与散热性能的解析表达式，能够准确计算不同散热条件下各个芯片的结温。

(3)本发明应用的损耗模型和热阻模型皆为解析表达式，具有很高的计算效率，能够在数秒内扫描上百个不同工况下芯片的最高结温。

(4)本发明具有广泛的应用的场合：不但适用在不同工况(驱动电阻，散热系统，开关频率等)下刻画器件的安全运行域，同时适用于EconoDUAL封装下不同功率等级的IGBT模块。

附图说明

图1为IGBT模块内部杂散电感提取过程示意图；

图2为IGBT模块内部杂散电感示意图，(a)表示解耦前，(b)表示解耦后；

图3为开通损耗比例和开通电流的关系图；

图4为芯片热阻和对流换热系数的定量关系图；

图5为IGBT热安全运行域的刻画流程图；

图6为不同工况下IGBT热安全运行域的刻画结果；

图7为本发明与商用仿真软件IPOSIM的结果对比图。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明做进一步详细说明，所述内容均为对本发明的解释，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动就是本发明的保护范围。

步骤一：在ANSYS Q3D中建立IGBT模块的杂散电感提取模型。具体的提取过程如附图1所示：

将DBC上铜层在芯片中点处断开并分别设置Source和Sink，前三次每次提取一个并联回路的所有杂散电感及互感L_C和M_C，最后一次提取键合线上的杂散电感L_W,提取频率设置为20MHz。

步骤二：根据附图2(a)，当下桥臂接受到开通信号后，栅-射极电压逐步上升。当电压上升至大于阈值电压时，电流开始流过器件。此时各个芯片的栅极-发射极电压可以表示为公式(1)。

其中U_GO为栅极与模块AC端两点间电压，U_GEk为第k个芯片的栅射极电压，L_W为键合线上的杂散电感，i_{REF_k}为第k个芯片的开通电流，由公式(3)决定，i_BC为BC两点间电流，定义附图2所示，L_Ci、M_{C_i}、M_{Ci_i+1}为不同回路的杂散电感、互感值，定义如附图2所示。

假设不同回路的互感值M_{c2_1}和M_{c2_2}相差不大时，可用公式(2)将互感解耦，解耦后的电路如附图2(b)所示。

其中i_{REF_k}为第k个芯片的开通电流，由公式(3)决定，i_AB、i_BC分别为AB、BC两点间电流，定义附图2所示，M_{C_i}、M_{Ci_i+1}为不同回路的互感值，定义如附图2所示。

步骤三：根据附图3，可以将并联芯片间的损耗比例转化为开通时流过芯片的电流比例，如公式(3)所示

将电流上升阶段用公式(4)线性化表示

其中t_r为开通时的电流上升时间。除此之外，IGBT线性区电压和电流的关系可以用公式(5)近似表示

其中β是由器件结构和掺杂浓度确定的常数，可以由数据手册提取。I_C为并联芯片的总开通电流，U_th为芯片的阈值电压，I_{REF_k}为第k个芯片用于表征损耗比例的等效电流值。联立公式(1)-(5)，可得到芯片间的开通损耗比例为：

其中

其中L_EQC2＝L_C2-(M_{C2_2}+M_{C2_1})/2，L_EQC1＝L_C1-(M_{C1_2}+M_{C1_1})/2，L_EQC＝L_C-(M_{C_2}+M_{C_1})/2，I_REF＝[I_{REF_4},I _{REF_5},I _{REF_6}]^T，I＝[1,1,1]^T，E为三阶单位矩阵。

步骤四：根据步骤三得到的开通损耗比例关系，得到单个芯片的不均匀开关损耗如公式(9)-(12)

其中E_{on_ref}，E_{off_ref}和E_{rr_ref}分别是功率模块忽略芯片之间的温差的总开通、关断和反向恢复损耗。△T_{j_i}是各个IGBT芯片的结温T_{j_i}与并联IGBT芯片的平均温度T_jav之差。△T_{dj_i}是各个二极管芯片的结温T_{dj_i}与并联二极管芯片的平均温度T_djav之间的差异。

步骤五：建立IGBT模块的热场有限元仿真模型，仿真得到不同对流换热系数下各芯片的热阻，包括自热阻和耦合热阻，并用如下拟合公式得到热阻和散热性能的解析表达式：

R_thm,n＝a×h^b+c (13)

其中R_thm,n表示芯片m产生损耗时，芯片n的耦合热阻，h为对流换热系数，a,b和c为拟合系数。得到的拟合结果如附图4所示。最终得到描述芯片热特性的热阻网络矩阵如公式(14)所示。

步骤六，批量计算不同母线电压和负载电流下模块内部芯片的最高结温，流程如附图5所示。首先设定扫描电压及电流的上下限，然后用公式(15)-(22)计算一个工频周期下各芯片的平均损耗。在计算过程中假定一个开关周期内电流是恒定的，同时假设一个工频周期内结温也为恒定。

其中i为开关周期的次数，I为输出电流的有效值，f_out为输出工频周期，f_W为器件的开关频率，Q为输出的功率因数，T_on(i)为第i个开关周期的导通时间，E_{CON_H}(i)，E_{DCON_H}(i)，E_{CON_L}(i)和E_{DCON_L}(i)分别是第i个开关周期上下桥臂IGBT和二极管芯片的导通损耗。将各芯片的损耗与热阻网络结合，得到各芯片的结温为：

T＝P×R_th+T_aI (23)

其中P＝[P_{IGBT_1},P_{Diode_1},P_{IGBT_2},P_{Diode_2}…P_{IGBT_6},P_{Diode_6}],T＝[T_{j_1},T_{dj_1},T_{j_2},T_{dj_2}…T_{j_6},T_{dj_6}]。由于损耗和结温具有很强的耦合关系，因此需要进行迭代至结温稳定。迭代收敛条件为：

其中n为迭代次数。当芯片中最高结温超过150℃，认定模块发生热失效，此时增大母线电压重复计算直至完成所有工况的扫描。最终得到的热安全域如附图6所示。

本发明提出的结温计算方法与商用仿真软件IPOSIM的结果对比如附图7所示。可以得到如下两个结论：首先，散热性能越差，热耦合效应越强，计算的平均结温越大于IPOSIM计算的理想结温；其次，开关频率越高，损耗不均匀效应越强，计算的最高芯片结温越大于平均结温及IPOSIM计算的理想结温。通过分析可以看出，提出的结温计算方法相比较于商用软件采用的传统平均化的方法，更能反映出芯片间的差异，因此可以得到更准确的芯片最高温度以进行热安全运行域刻画。

以上结合具体实例对本发明的具体实施方式对本发明作了进一步详细说明，所述内容均为对本发明的解释但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动就是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法，其特征在于，包括以下步骤；

步骤一：在ANSYS Q3D中建立IGBT模块的杂散电感提取模型，得到内部DBC布局的杂散电感矩阵；

步骤二：分析IGBT瞬态开通过程中电流分布不均匀的机理，利用步骤一中得到的杂散电感矩阵，建立IGBT模块内部各芯片开通损耗的不均匀模型；

其中，分析IGBT瞬态开通过程中电流分布不均匀的机理具体为：

当下桥臂接受到开通信号后，栅-射极电压逐步上升，当电压上升至大于阈值电压时，电流开始流过器件，此时各个芯片的栅极-发射极电压表示为公式(1)：

其中U_GO为栅极与模块AC端两点间电压，U_GEk为第k个芯片的栅射极电压，L_W为键合线上的杂散电感，i_{REF_k}为第k个芯片的开通电流，i_BC为BC两点间电流，L_Ci、M_{C_i}、M_{Ci_i+1}为不同回路的杂散电感、互感值；

假设不同回路的互感值M_{c2_1}和M_{c2_2}相差不大时，用公式(2)将互感解耦：

其中i_AB、i_BC分别为AB、BC两点间电流，M_{C_i}、M_{Ci_i+1}为不同回路的互感值；

将并联芯片间的损耗比例转化为开通时流过芯片的电流比例，如公式(3)所示：

将电流上升阶段用公式(4)线性化表示：

其中t_r为开通时的电流上升时间，除此之外，IGBT线性区电压和电流的关系用公式(5)近似表示：

其中β是由器件结构和掺杂浓度确定的常数，由数据手册提取，I_C为并联芯片的总开通电流，U_th为芯片的阈值电压，I_{REF_k}为第k个芯片用于表征损耗比例的等效电流值，联立公式(1)-(5)，得到芯片间的开通损耗比例为：

其中

其中L_EQC2＝L_C2-(M_{C2_2}+M_{C2_1})/2，L_EQC1＝L_C1-(M_{C1_2}+M_{C1_1})/2，L_EQC＝L_C-(M_{C_2}+M_{C_1})/2，I_REF＝[I_{REF_4},I _{REF_5},I _{REF_6}]^T，I＝[1,1,1]^T，E为三阶单位矩阵；

根据开通损耗比例关系，得到单个芯片的单个芯片的不均匀开通损耗模型，如公式(9)-(12)所示：

其中E_{on_ref}，E_{off_ref}和E_{rr_ref}分别是功率模块忽略芯片之间的温差的总开通、关断和反向恢复损耗，△T_{j_i}是各个IGBT芯片的结温T_{j_i}与并联IGBT芯片的平均温度T_jav之差，△T_{dj_i}是各个二极管芯片的结温T_{dj_i}与并联二极管芯片的平均温度T_djav之间的差异；

步骤三：在COMSOL中建立IGBT模块热阻提取的有限元热模型，得到不同散热条件下各芯片的热阻，基于仿真得到的热阻数据，拟合得到IGBT模块内部芯片的热阻网络随散热性能变化的解析模型；

步骤四：结合上述建立的开通损耗的不均匀模型和热阻解析模型，在MATLAB脚本中编写多芯片IGBT模块的批量化结温计算程序，并基于不同工况下的最高芯片结温刻画器件的热安全运行域。

2.根据权利要求1所述的一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法，其特征在于，步骤一中内部DBC布局的杂散电感矩阵包括各并联回路的自感及互感。

3.根据权利要求1所述的一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法，其特征在于，步骤一中具体的提取过程为：

将DBC上铜层在芯片中点处断开并分别设置Source和Sink，前三次每次提取一个并联回路的所有杂散电感及互感L_C和M_C，最后一次提取键合线上的杂散电感L_W，提取频率设置为20MHz。

4.根据权利要求1所述的一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法，其特征在于，步骤三中各芯片的热阻包括自热阻和耦合热阻。

5.根据权利要求4所述的一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法，其特征在于，步骤三中采用如下拟合公式得到每两个芯片间的耦合热阻：

R_thm,n＝a×h^b+c (13)

其中R_thm,n表示芯片m产生损耗时，芯片n的耦合热阻，h为对流换热系数，a,b和c为拟合系数，最终得到IGBT模块内部芯片的热阻网络随散热性能变化的解析模型如公式(14)所示：

6.根据权利要求5所述的一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法，其特征在于，步骤四中在MATLAB脚本中编写多芯片IGBT模块的批量化结温计算程序，批量计算不同母线电压和负载电流下模块内部芯片的最高结温，首先设定扫描电压及电流的上下限，然后用公式(15)-(22)计算一个工频周期下各芯片的平均损耗，在计算过程中假定一个开关周期内电流是恒定的，同时假设一个工频周期内结温也为恒定；

其中i为开关周期的次数，I为输出电流的有效值，f_out为输出工频周期，f_W为器件的开关频率，Q为输出的功率因数，T_on(i)为第i个开关周期的导通时间，E_{CON_H}(i)，E_{DCON_H}(i)，E_{CON_L}(i)和E_{DCON_L}(i)分别是第i个开关周期上下桥臂IGBT和二极管芯片的导通损耗，将各芯片的损耗与热阻网络结合，得到各芯片的结温为：

T＝P×R_th+T_aI (23)

其中P＝[P_{IGBT_1},P_{Diode_1},P_{IGBT_2},P_{Diode_2}…P_{IGBT_6},P_{Diode_6}],T＝[T_{j_1},T_{dj_1},T_{j_2},T_{dj_2}…T_{j_6},T_{dj_6}]，由于损耗和结温具有很强的耦合关系，因此需要进行迭代至结温稳定，迭代收敛条件为：

其中n为迭代次数，当芯片中最高结温超过150℃，认定模块发生热失效，此时增大母线电压重复计算直至完成所有工况的扫描，即得到热安全域。