CN114297888A - 一种功率模块压接型功率器件结温测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种功率模块压接型功率器件结温测量方法，包括：1：确定水冷散热器测温点的位置；2：建立准确的水冷散热器的三维模型；3：利用有限元仿真软件对建立的水冷散热器模型进行稳态热仿真，得到散热器测温点与散热器台面之间的热阻值；4：提取实际功率模块测温点数据，根据散热器测温点温度与热阻、损耗之间的关系，间接推导计算功率器件损耗；5：计算功率器件结温。将功率模块压接型功率器件及其散热器作为研究对象，通过在与功率器件接触的散热器上加设测温点实测温度，并结合有限元仿真计算得到的散热器热阻结果、测温点温度实测结果获得功率器件传递散热器台面的损耗，以此来获得功率器件的结温。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子设备技术领域，特别涉及一种功率模块压接型功率器件结温测量方法。
背景技术
功率模块是柔直换流阀的关键组成部分，可以实现电能的有效转换、控制和传输，其广泛应用于高压直流输电领域。压接型IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是功率模块的关键部件，具有开关速度快、失效短路、双面散热等优点，可以实现在大功率场合快速做出切换动作，实现电路的有效控制。IGBT工作时受到电、热、机械多种应力共同作用，失效机理复杂。热累积是引起IGBT失效的主要诱因，主要表现在结温过高或快速波动，常见的失效模式有老化失效、微动磨损、门极氧化层破坏、门极弹簧针失效、边界翘曲等。
传统的IGBT结温获取方法主要有直接测量法、热网络法、电学测温法、有限元仿真分析法。
直接测量法包括光学测量、物理接触测量。前者借助光纤或红外成像仪对IGBT进行测温，后者将热敏电阻、热电偶粘贴或焊接到被测芯片上，测量法需打开被测器件的封装，属于破坏性的结温获取方法。
热网络法通过建立IGBT结到壳之间的热阻抗等效模型迭代计算器件结温，该方法虽保证了器件的完整性，但对于存在多个热源耦合作用的功率模块IGBT，该方法不再适用。
电学测温法利用电学参数与温度之间的关系获取结温数据，操作简单且精度高，无需破坏被试器件封装结构，但是测量设备的加入会改变回路中的寄生参数，且附属检测电路往往非常复杂，不易实现在线测量。
有限元仿真分析法通过建立相应的有限元仿真模型，利用仿真软件计算器件结温，但前提是模型及材料属性足够精确，同时该方法无法实现IGBT结温的实时计算，仅适用于试验条件下对IGBT器件热老化特性的分析。
发明内容
为了解决背景技术提出的技术问题，克服传统功率模块压接型器件结温获取方法的不足，本发明提供一种功率模块压接型功率器件结温测量方法，以有限元仿真及设置测温点的手段获取散热器的热阻和测温点实测温度，进而得到功率器件传递到散热器台面的损耗，结合热阻、损耗、温度之间的关系，计算得到功率器件结温，是一种不改变功率模块压接器件原有散热条件且合理有效的结温测量方法，用以评价功率器件的热老化情况。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种功率模块压接型功率器件结温测量方法，所述的方法将功率模块中压接型功率器件及其水冷散热器作为研究对象，包括如下步骤：
步骤1：确定水冷散热器测温点的位置；
步骤2：建立准确的水冷散热器的三维模型，内部水道及测温点的位置尺寸与实际保持一致；
步骤3：利用有限元仿真软件对建立的水冷散热器模型进行稳态热仿真，得到散热器测温点与散热器台面之间的热阻值；
步骤4：提取实际功率模块测温点数据，根据散热器测温点温度与热阻、损耗之间的关系，间接推导计算功率器件损耗；
步骤5：列写功率器件结温与热阻、损耗、测温点实测温度之间的关系表达式，计算功率器件结温。
进一步地，所述步骤1中，确定水冷散热器测温点位置的方法为：根据散热器水道布置情况及发热器件管壳尺寸设置测温点，原则是既不影响测温装置的安装和散热器的散热，又保证测温点尽量靠近发热器件管壳边缘；采用多点测量方式，在散热器上、下台面的不同位置设置测温点，使测温点与器件管壳的垂直距离相同，散热器侧面中心位置设置一处测温点，同一片散热器上总测温点数目不小于3处。
进一步地，所述步骤2中，构建水冷散热器物理模型的具体方法为：测量水冷散热器外部尺寸及内部水道尺寸，按照1:1比例建立水冷散热器三维模型，测温点位置按照步骤1中设置。
进一步地，所述步骤3中，获取水冷散热器各测温点到散热器台面之间热阻值的方法为：对水冷散热器及其内部冷却介质划分相应网格，在水冷散热器台面上施加恒定损耗P，设置恒定进水温度Tin，得到散热器温度场分布及相应的温度目标值，通过热阻公式进行计算，公式如下：
式1中，Rth测i-台面为散热器测温点与台面之间的热阻，T台面为散热器台面温度仿真值，T测仿i为散热器测温点温度仿真值，i数目与实际测温点数目一致，P为施加到散热器台面上的恒定损耗值。
进一步地，所述步骤4中，计算功率器件损耗即功率器件传递到散热器台面损耗的方法为：在散热器测温点处布置测温装置，提取各散热器测温点温度数据，根据热阻、温度及损耗之间的关系：
T测i＝Rth测i-台面×Pj+Tin(i与测温点实际数目一致；j＝1、2) (2)
Pj为散热器两侧功率器件传递到散热器台面的损耗，Rth测i-台面为散热器测温点与其所在散热器台面之间的热阻，Tin为散热器冷却介质进水温度，T测i为散热器测温点温度实测值。
进一步地，所述步骤5中，计算功率器件结温与损耗、热阻、测温点实测温度之间的关系表达式为：
Tj结＝Pj×Rth结—测+T测i (3)
式3中，Tj结(j＝1、2)为散热器两侧的功率器件结温，Pj(j＝1、2)为散热器两侧功率器件传递到散热器台面的损耗，Rth结-测为功率器件芯片到散热器测温点之间的热阻，Rth结—测＝Rth结—壳+Rth测i—台面，Rth结—壳为功率器件到散热器一侧的单面结壳热阻，查阅器件规格书可得到，Rth测i-台面为散热器测温点与台面之间的热阻，i与测温点实际数目一致。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明的方法能够将功率模块压接型功率器件及其散热器作为研究对象，通过在与功率器件接触的散热器上加设测温点实测温度，并结合有限元仿真计算得到的散热器热阻结果、测温点温度实测结果获得功率器件传递散热器台面的损耗，以此来获得功率器件的结温。
2)本发明将功率模块中压接型功率器件及其散热器作为研究对象，无需破坏功率器件的完整性，克服了热网络法无法充分考虑功率模块中多个热源耦合及单纯有限元仿真法、电学测温法的不足，测温方法简单有效，具有可行性。
3)本发明的方法对不同拓扑结构的功率模块均适用，不仅能够获得压接型IGBT器件的结温，也可利用本发明方法获得二极管的结温。
附图说明
图1为本发明半桥功率模块拓扑示意；
图2为本发明具体的实施流程图；
图3为本发明散热器测温点选取位置示意图俯视图；
图4为本发明散热器测温点选取位置示意图主视图；
图5为本发明各测温点到散热器台面的热阻示意图；
图6为本发明IGBT芯片到测温点的热阻示意图。
图中：1-测温点1 2-测温点2 3-测温点3 4-台面 5-进水口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，功率模块压接型功率器件包括压接型IGBT和二极管，不同的拓扑结构仅压接器件的种类和数量不同，压接方式相同，均由外部压力机构实现。对于半桥功率模块，其由两个压接IGBT、两个二极管及5片水冷散热器通过压力实现电热接触，因此无论是压接型IGBT还是二极管均可通过本发明的结温测量方法获取结温。
如图2-4所示，本发明的一种功率模块压接型功率器件结温测量方法，将功率模块中压接型功率器件及其水冷散热器作为研究对象，包括如下步骤：
步骤1：确定水冷散热器测温点的位置；
步骤2：建立准确的水冷散热器的三维模型，内部水道及测温点的位置尺寸与实际保持一致；
步骤3：利用有限元仿真软件对建立的水冷散热器模型进行稳态热仿真，得到散热器测温点与散热器台面(4)之间的热阻值；
步骤4：提取实际功率模块测温点数据，根据散热器测温点温度与热阻、损耗之间的关系，间接推导计算功率器件损耗；
步骤5：列写功率器件结温与热阻、损耗、测温点实测温度之间的关系表达式，计算功率器件结温。
所述步骤1中，确定水冷散热器测温点位置的方法为：根据散热器水道布置情况及发热器件管壳尺寸设置测温点，原则是既不影响测温装置的安装和散热器的散热，又保证测温点尽量靠近发热器件管壳边缘；采用多点测量方式，在散热器上、下台面(4)的不同位置设置测温点，使测温点与器件管壳的垂直距离相同，散热器侧面中心位置设置一处测温点，同一片散热器上总测温点数目不小于3处。
所述散热器的台面(4)是指功率器件与散热器的接触面。
所述步骤2中，构建水冷散热器物理模型的具体方法为：测量水冷散热器外部尺寸及内部水道尺寸，按照1:1比例建立水冷散热器三维模型，测温点位置按照步骤1中设置。
所述步骤3中，获取水冷散热器各测温点到散热器台面(4)之间热阻值的方法为：对水冷散热器及其内部冷却介质划分相应网格，在水冷散热器台面(4)上施加恒定损耗P，设置恒定进水温度Tin，得到散热器温度场分布及相应的温度目标值，通过热阻公式进行计算，公式如下：
式1中，Rth测i-台面为散热器测温点与台面之间的热阻，T台面为散热器台面(4)温度仿真值，T测仿i为散热器测温点温度仿真值，i数目与实际测温点数目一致，P为施加到散热器台面(4)上的恒定损耗值。
所述步骤3的散热器测温点、台面(4)温度仿真值以最高温度为准。
所述步骤3的划分相应网格的方法为：将散热器划分固体网格，对散热器内部冷却介质划分为流体网格。
所述步骤4中，计算功率器件损耗即功率器件传递到散热器台面(4)损耗的方法为：在散热器测温点处布置测温装置，提取各散热器测温点温度数据，根据热阻、温度及损耗之间的关系：
T测i＝Rth测i-台面×Pj+Tin(i与测温点实际数目一致；j＝1、2) (2)
Pj为散热器两侧功率器件传递到散热器台面(4)的损耗，Rth测i-台面为散热器测温点与其所在散热器台面(4)之间的热阻，Tin为散热器冷却介质进水温度，T测i为散热器测温点温度实测值。
结合各散热器测温点实测温度及测温点与散热器台面之间的热阻仿真值求得功率器件传递到散热器台面的损耗。由于散热器内部水道呈对称分布，测温点与散热器台面之间的热阻值仅与选取位置有关，实际各测温点到散热器台面的热阻参数个数少于测温点数目，结合公式(2)，带入热阻仿真数据及测温点实测温度可求功率器件传递到散热器台面的损耗。
所述步骤4测温装置的选取应以测温精度高、操作简单、便于安装为原则，优选采用热电偶或NTC(负温度系数)传感器。
所述步骤5中，计算功率器件结温与损耗、热阻、测温点实测温度之间的关系表达式为：
Tj结＝Pj×Rth结—测+T测i (3)
式3中，Tj结(j＝1、2)为散热器两侧的功率器件结温，Pj(j＝1、2)为散热器两侧功率器件传递到散热器台面的损耗，Rth结-测为功率器件芯片到散热器测温点之间的热阻，Rth结—测＝Rth结—壳+Rth测i—台面，Rth结—壳为功率器件到散热器一侧的单面结壳热阻，查阅器件规格书可得到，Rth测i-台面为散热器测温点与台面(4)之间的热阻，i与测温点实际数目一致。
【具体实施例】
如图3-4所示，在本实施例中，共选取3处测温点，其中测温点1(1)、测温点2(2)具体位置在发热IGBT器件管壳台面直径外2mm的散热器台面(4)处，分别位于散热器上、下台面(4)中轴线上，非上下对称布置；测温点3(3)位于散热器侧面，具体位置在远离进水口(5)一侧的侧面中心。3处测温点均安装热电偶或NTC温度传感器，可实时监测温度变化情况。
在本实施例中，利用Solidworks软件建立准确的水冷散热器三维模型，建模时对水冷散热器作如下简化处理：1.忽略散热器侧面的安装螺纹孔；2.忽略进、出水口与水管连接处的细节特征；3.以水管内径作为散热器进、出水口的内径尺寸。利用ANSYS软件的CFDFluent模块对水冷散热器有限元仿真模型进行温度场、流体场仿真，具体设置如下：1.对散热器划分为固体网格，对散热器内部冷却介质划分为流体网格；2.设置IGBT传递到散热器台面的损耗为P，仿真时可给定一个合理数值；3.结合功率模块水冷系统流量情况对散热器冷却介质进水口设置为速度边界条件，出水口设置为静压边界条件；4.仿真忽略热辐射作用，仅考虑热传导及散热器与空气的对流换热，设置对流换系数为5W/(m2·K)。仿真得到散热器温度场分布及内部冷却介质的流体场分布，提取3处测温点及散热器台面(4)位置的最高温度结果作为后续热阻计算的已知数据。
如图5所示，测温点实测温度与热阻、损耗、散热器进水温度之间的关系如下：
式3中，T测i(i＝1、2、3)为3处测温点的实测温度，单位℃，；R1、R3为散热器测温点1(1)、测温点2(2)与其所在散热器台面之间的热阻，单位K/kW；R2、R4为散热器测温点1、2与非所在散热器台面(4)之间的热阻，单位K/kW；R5、R6分别为散热器测温点3(3)与散热器上、下台面(4)之间的热阻，单位K/kW；P1、P2为散热器两侧IGBT1、IGBT2传递到散热器台面(4)的损耗，单位kW；Tin为散热器的进水温度，单位℃，为已知值。
如图5所示，由于散热器内部水道呈对称分布，测温点与散热器台面(4)之间的热阻仅与选取位置有关，因此有：
将式5代入式4，整理得：
式6中，T测i、Tin为已知值，R1、R2、R5为有限元仿真计算得到的热阻值，散热器两侧IGBT1、IGBT2实际传递到散热器台面(4)的损耗P1、P2可用下式7、8表示：
如图6所示，IGBT结温与损耗、热阻、测温点实测温度之间关系表达式如下：
T1结＝Pj×Rth结—测+T测i＝P1×(Rth1结-壳+R1)+T测1 (9)
T2结＝Pj×Rth结—测+T测i＝P2×(Rth2结—壳+R3)+T测2 (10)
式9、10中，Rth1结—壳、Rth2结—壳为IGBT1、IGBT2到散热器一侧的单面结壳热阻，查阅器件规格书可得。带入测温点实测温度及计算得到的损耗和热阻值可计算IGBT1、IGBT2结温。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，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上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
Claims (6)
1.一种功率模块压接型功率器件结温测量方法，其特征在于，所述的方法将功率模块中压接型功率器件及其水冷散热器作为研究对象，包括如下步骤：
步骤1：确定水冷散热器测温点的位置；
步骤2：建立准确的水冷散热器的三维模型，内部水道及测温点的位置尺寸与实际保持一致；
步骤3：利用有限元仿真软件对建立的水冷散热器模型进行稳态热仿真，得到散热器测温点与散热器台面之间的热阻值；
步骤4：提取实际功率模块测温点数据，根据散热器测温点温度与热阻、损耗之间的关系，间接推导计算功率器件损耗；
步骤5：列写功率器件结温与热阻、损耗、测温点实测温度之间的关系表达式，计算功率器件结温。
2.根据权利要求1所述的一种功率模块压接型功率器件结温测量方法，其特征在于，所述步骤1中，确定水冷散热器测温点位置的方法为：根据散热器水道布置情况及发热器件管壳尺寸设置测温点，原则是既不影响测温装置的安装和散热器的散热，又保证测温点尽量靠近发热器件管壳边缘；采用多点测量方式，在散热器上、下台面的不同位置设置测温点，使测温点与器件管壳的垂直距离相同，散热器侧面中心位置设置一处测温点，同一片散热器上总测温点数目不小于3处。
3.根据权利要求1所述的一种功率模块压接型功率器件结温测量方法，其特征在于，所述步骤2中，构建水冷散热器物理模型的具体方法为：测量水冷散热器外部尺寸及内部水道尺寸，按照1:1比例建立水冷散热器三维模型，测温点位置按照步骤1中设置。
4.根据权利要求1所述的一种功率模块压接型功率器件结温测量方法，其特征在于，所述步骤3中，获取水冷散热器各测温点到散热器台面之间热阻值的方法为：对水冷散热器及其内部冷却介质划分相应网格，在水冷散热器台面上施加恒定损耗P，设置恒定进水温度Tin，得到散热器温度场分布及相应的温度目标值，通过热阻公式进行计算，公式如下：
式1中，Rth测i-台面为散热器测温点与台面之间的热阻，T台面为散热器台面温度仿真值，T测仿i为散热器测温点温度仿真值，i数目与实际测温点数目一致，P为施加到散热器台面上的恒定损耗值。
5.根据权利要求1所述的一种功率模块压接型功率器件结温测量方法，其特征在于，所述步骤4中，计算功率器件损耗即功率器件传递到散热器台面损耗的方法为：在散热器测温点处布置测温装置，提取各散热器测温点温度数据，根据热阻、温度及损耗之间的关系：
T测i＝Rth测i-台面×Pj+Tin(i与测温点实际数目一致；j＝1、2) (2)
Pj为散热器两侧功率器件传递到散热器台面的损耗，Rth测i-台面为散热器测温点与其所在散热器台面之间的热阻，Tin为散热器冷却介质进水温度，T测i为散热器测温点温度实测值。
6.根据权利要求1所述的一种功率模块压接型功率器件结温测量方法，其特征在于，所述步骤5中，计算功率器件结温与损耗、热阻、测温点实测温度之间的关系表达式为：
Tj结＝Pj×Rth结—测+T测i (3)
式3中，Tj结(j＝1、2)为散热器两侧的功率器件结温，Pj(j＝1、2)为散热器两侧功率器件传递到散热器台面的损耗，Rth结-测为功率器件芯片到散热器测温点之间的热阻，Rth结—测＝Rth结—壳+Rth测i—台面，Rth结—壳为功率器件到散热器一侧的单面结壳热阻，查阅器件规格书可得到，Rth测i-台面为散热器测温点与台面之间的热阻，i与测温点实际数目一致。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117150732A (zh) * | 2023-08-08 | 2023-12-01 | 荣信汇科电气股份有限公司 | 一种基于压接器件的变频器功率单元水路设计方法及结构 |
| CN117150732B (zh) * | 2023-08-08 | 2024-03-19 | 荣信汇科电气股份有限公司 | 一种基于压接器件的变频器功率单元水路设计方法及结构 |
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Legal Events
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