CN114441923B - 瞬态热阻的模拟系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，公开一种瞬态热阻的模拟系统与方法。所述模拟系统包括：信号生成装置，用于生成一组激励信号，其中该组激励信号中的不同激励信号具有相同的占空比与不同的周期；测量电路，用于将所述不同激励信号分别施加在IGBT模块的等效热阻模型的两端，以测量所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻；以及转换装置，用于将所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻转换成所述占空比下的IGBT模块的瞬态热阻曲线。由此，本发明可搭建出一套针对IGBT模块的等效热阻仿真电路，通过改变仿真电路中的脉冲方波激励信号来快速获取IGBT模块的瞬态热阻曲线。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体地涉及一种瞬态热阻的模拟系统与方法。
背景技术
电力电子设备的心脏IGBT常常工作在高电压大电流的环境下，近年来随着半导体技术的发展，电力电子设备的工作频率越来越高，这进一步加剧了IGBT器件的产热。大量的产热不仅会影响IGBT器件的正常工作，还会对器件周围的电路产生热损伤，进而降低系统设备的整体可靠性，严重地甚至导致设备的失效。热阻是反映器件散热好坏的重要物理参数，它被定义为单位功率引起的器件结温升。热阻大，表明该器件散热不佳；热阻小，表明该器件散热效果良好。借助器件的热阻，可以有效地实现器件的可靠性筛选，掌握器件的封装缺陷，从而优化封装设计，提高封装质量。
然而，IGBT器件的热阻并不是一个固定值，现有的IGBT器件的瞬态热阻经频变化曲线需要实验测量得到，但该方法的耗时长，并且成本高。因此，如何快速准确地掌握IGBT器件的瞬态热阻随频率变化的响应，对开展IGBT器件的散热封装设计具有重要的指导意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种瞬态热阻的模拟系统与方法，其可搭建出一套针对IGBT模块的等效热阻仿真电路，通过改变仿真电路中的脉冲方波激励信号来快速获取IGBT模块的瞬态热阻的响应曲线。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种瞬态热阻的模拟系统，所述模拟系统包括：信号生成装置，用于生成一组激励信号，其中，该组激励信号中的不同激励信号具有相同的占空比与不同的周期；测量电路，用于将所述不同激励信号分别施加在IGBT模块的等效热阻模型的两端，以测量所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻；以及转换装置，用于将所所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻转换成所述占空比下的IGBT模块的瞬态热阻的响应曲线。
优选地，所述模拟系统还包括：获取装置，用于根据所述IGBT模块的测量的瞬态热阻曲线，获取所述等效热阻模型中的各个模块的热阻与热容。
优选地，所述等效热阻模型包括局部网络热路模型。
优选地，所述局部网络热路模型包括Foster模型。
优选地，所述测量电路包括：受控电流源，用于将所述不同激励信号转换为相应的受控电流；电流输入电路，用于将所述相应的受控电流施加在所述等效热阻模型的两端；以及电压装置，用于测量通过所述相应的受控电流的所述等效热阻模型的两端的电压，以获取通过所述相应的受控电流的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻。
优选地，所述模拟系统还包括：示波器，用于显示所述电压装置的示数。
通过上述技术方案，本发明创造性地通过信号生成装置生成一组激励信号，通过测量电路将该组激励信号中的不同激励信号分别施加在IGBT模块的等效热阻模型的两端，以测量所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻，以及通过转换装置将所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻转换成所述占空比下的IGBT模块的瞬态热阻的响应曲线。由此，本发明可搭建出一套针对IGBT模块的等效热阻仿真电路，通过改变仿真电路中的脉冲方波激励信号来快速获取IGBT模块的瞬态热阻的响应曲线。
本发明第二方面提供一种瞬态热阻的模拟方法，所述模拟方法包括：生成一组激励信号，其中，该组激励信号中的不同激励信号具有相同的占空比与不同的周期；将所述不同激励信号分别施加在IGBT模块的等效热阻模型的两端，以测量所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻；以及将所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻转换成所述占空比下的IGBT模块的瞬态热阻的响应曲线。
优选地，所述模拟方法还包括：根据所述IGBT模块的测量的瞬态热阻曲线，获取所述等效热阻模型中的各个模块的热阻与热容。
优选地，所述等效热阻模型包括局部网络热路模型。
优选地，所述将所述不同激励信号分别施加在IGBT模块的等效热阻模型的两端包括：将所述不同激励信号转换为相应的受控电流；将所述相应的受控电流施加在IGBT模块的等效热阻模型的两端；以及测量通过所述相应的受控电流的所述等效热阻模型的两端的电压，以获取通过所述相应的受控电流的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻。
有关本发明实施例提供的瞬态热阻的模拟方法的具体细节及益处可参阅上述针对瞬态热阻的模拟系统的描述，于此不再赘述。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一实施例提供的瞬态热阻的模拟系统的结构图；
图2A是本发明一实施例提供的在Simulink平台下搭建的IGBT瞬态热阻频率响应的等效仿真电路；
图2B是本发明一实施例提供的图2A中的电压装置的内部结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的占空比为0.5且周期为20μs的脉冲方波信号下的瞬态热阻曲线的示意图；以及
图4是本发明一实施例提供的最大瞬态热阻随脉冲宽度变化的响应曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1是本发明一实施例提供的瞬态热阻的模拟系统的结构图。如图1所示，所示模拟系统可包括：信号生成装置10，用于生成一组激励信号，其中，该组激励信号中的不同激励信号具有相同的占空比与不同的周期；测量电路20，用于将所述不同激励信号分别施加在IGBT模块的等效热阻模型的两端，以测量所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻；以及转换装置30，用于将所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻转换成所述占空比下的IGBT模块的瞬态热阻的响应曲线。
其中，所述等效热阻模型可包括局部网络热路模型。具体地，所述局部网络热路模型可包括Foster模型。例如，Foster模型可包括图2A所示的6个模块，每个模块由一个电容与一个电阻并联构成，6个模块之间通过串联的方式连接。
在一实施例中，所述模拟系统还可包括：获取装置，用于根据所述IGBT模块的测量的瞬态热阻曲线，获取所述等效热阻模型中的各个模块的热阻与热容。
其中，所述获取所述等效热阻模型中的各个模块的热阻与热容可包括：对所述瞬态热阻曲线进行非线性拟合，以获取所述等效热阻模型中的各个模块的热阻与热容。
具体地，用图2A所示的Foster模型来等效IGBT模块的瞬态热阻。其中的各个网络节点不具有实际的物理意义，其不与实际IGBT模块的物理层以及材料属性对应。可采用公式（1）所示的非线性曲线对测量得到的IGBT模块的瞬态热阻进行拟合，从而获取所述Foster模型中的各个模块的热阻
与热容
，
其中，i=1、2、3……、n，n可为所述Foster模型中的模块的数目（图2A所示的Foster模型对应的n=6），
可以由下式（2）来表示，
当然，本发明可通过其他现有方式获取所述Foster模型中的各个模块的热阻与热容；以及Foster模型中的模块的数目也不限于6，其可被合理设置，例如所示数目可以是3到10之间的任意一者。
在一实施例中，所述信号生成装置10可为图2中的脉冲发生器1。具体地，使用Simulink中的脉冲发生器1生成一组激励信号（例如，一组脉冲方波信号）。例如，一组激励信号可包括占空比均为0.5且周期分别为1μs、2μs、3μs……、9μs、10μs、20μs、30μs……、90μs、100μs……等的激励信号。
在一实施例中，所述测量电路20可包括：受控电流源2，用于将所述不同激励信号转换为相应的受控电流；电流输入电路，用于将所述相应的受控电流施加在所述等效热阻模型的两端；以及电压装置4，用于测量通过所述相应的受控电流的所述等效热阻模型的两端的电压，以获取通过所述相应的受控电流的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻。
其中，所述电流输入电路可包括：第一电路31，其第一端与受控电流源2的输出端（如B端）相连接，其第二端与所述Foster模型5的第一端（如D端）相连接；以及第二电路32，其第一端与所述受控电流源1的输入端（如C端）相连接，其第二端与所述Foster模型的第二段（E端），如图2A所示。也就是说，受控电流源2通过电流输入电路与Foster模型5形成一个闭合回路。
其中，所述受控电流源2的输入端（例如，A端）可与脉冲发生器1的输出端相连接，如图2A所示。
其中，所述电压装置4可包括电压表41（如图2B所示），其两端分别与所述Foster模型的两端相连接（即所述电压表41与所述Foster模型并联连接），如图2A所示。
在一实施例中，所述模拟系统还可包括：示波器，用于显示所述电压装置4的示数。
具体地，首先，通过仿真软件（例如Simulink）中的Simulink-PS（物理信号）转换器6（即，无单位Simulink输入信号到物理信号）将原本无单位的激励信号（例如，其由图2A所示的脉冲发生器1生成）转化为有特定单位的物理信号。然后，将物理信号作为受控电流源2的输入信号，以获取与所述激励信号相对应的受控电流（例如其可为恒定电流，如1A）。接着，将获取的受控电流通过（图2A所示的）电流输入电路加载到IGBT模块的Foster模型5的两端。最后，通过电压装置4测量通过所述受控电流的所述Foster模型两端的电压，并且根据所述受控电流与测量的电压，确定所述受控电流下的Foster模型的瞬态热阻值变化曲线，取稳定后的最大瞬态热阻值为与所述受控电流相对应的激励信号下的最大瞬态热阻值。例如，当受控电流为1A时，测量得到的电压为通过所述受控电流的Foster模型的瞬态热阻值变化曲线，取其中处于稳定状态的最大瞬态热阻值Zth-max为相应激励信号下的最大瞬态热阻值，如图3所示。
下面对图2B所示的所述电压装置4的内部结构进行说明。
其中，受控电流源2的输出端（B端）与所述电压表41的正极连接，所述Foster模型5的输出端（E端）与所述电压表41的负极连接。此外，所述电压装置4还可包括：PS（物理信号）-Simulink转换器42，用于将有特定单位的物理信号转化为无单位的信号（例如，其由图2A所示的脉冲发生器1生成）；跳转模块43，用于将所述转换器42输出的信号转接到下文中的示波器。其中，跳转模块43可为Goto跳转模块。
上述测量的电压值随周期性的激励信号变化而变化，故可通过图2A所示的电路按照上述方式获取Foster模型在不同激励信号下的最大瞬态热阻值。
所述转换装置30用于获取所述占空比下的IGBT模块的瞬态热阻的响应曲线可具体包括以下内容。在获取一组激励信号（该组中的各个激励信号的占空比D相同但周期T不同）中的各个激励信号下的最大瞬态热阻值的情况下，针对该组激励信号（即D相同，例如图4中的D=0.5）执行：通过tp（脉冲宽度）=D*T将各个激励信号的T转换为tp，将具有不同tp的各个激励信号下的最大瞬态热阻值画在图4所示的坐标系（例如，以最大瞬态热阻值为纵坐标，脉冲宽度tp为横坐标）中，并将个点连接起来，从而构成同一占空比下的IGBT模块的瞬态热阻的随脉冲宽度变化的响应曲线（也可称为频率响应曲线），如图4所示。
在另一实施例中，所述信号生成装置10可为图2A中的脉冲发生器1。具体地，使用仿真软件（例如Simulink）中的脉冲发生器1可先后生成多组激励信号（例如，多组脉冲方波信号）。例如，第一组激励信号可包括占空比均为0.5且周期分别为1μs、2μs、3μs……、9μs、10μs、20μs、30μs……、90μs、100μs……等的激励信号；第二组激励信号可包括占空比均为0.2且周期分别为1μs、2μs、3μs……、9μs、10μs、20μs、30μs……、90μs、100μs……等的激励信号；第三组激励信号可包括占空比均为0.1且周期分别为1μs、2μs、3μs……、9μs、10μs、20μs、30μs……、90μs、100μs……等的激励信号；第四组激励信号可包括占空比均为0.05且周期分别为1μs、2μs、3μs……、9μs、10μs、20μs、30μs……、90μs、100μs……等的激励信号；第五组激励信号可包括占空比均为0.02且周期分别为1μs、2μs、3μs……、9μs、10μs、20μs、30μs……、90μs、100μs……等的激励信号；第六组激励信号可包括占空比均为0.01且周期分别为1μs、2μs、3μs……、9μs、10μs、20μs、30μs……、90μs、100μs……等的激励信号。即，各组之间的激励信号的占空比不同。
类似的，经过图2A所示的模拟电路可将Foster模型在多组激励信号中的每组中的不同激励信号下的最大瞬态热阻值，然后由所述转换装置30可获取相应占空比下的IGBT模块的瞬态热阻的随脉冲宽度变化的曲线（也可称为频率响应曲线），如图4所示。
当然，由于tp（脉冲宽度）与f(各个激励信号的频率)=1/T之间存在一定的转换关系，图4所示的各个占空比对应的瞬态热阻随脉冲宽度变化的曲线也可转换为相应的瞬态热阻随频率变化的曲线。通常，本领域技术人员将瞬态热阻随脉冲宽度等与频率相关联的物理量变化的曲线称为瞬态热阻的经频变化曲线（即，瞬态热阻的响应曲线或瞬态热阻的频率响应曲线）。
上述实施例使用Foster模型，借助Simulink快速地搭建出针对特定IGBT的等效热阻仿真电路，只需要在仿真软件中改变施加给IGBT模块的激励信号的占空比、周期就可以快速地获取不同激励信号下的IGBT模块的最大瞬态热阻，从而绘制出不同占空比下的IGBT瞬态热阻频率响应图，免去了实验测量IGBT瞬态热阻的频率响应曲线。
需要说明的是，本发明中的各个装置、模块、电流源、电路或示波器等均为仿真软件（其可为能够搭建上述等效电路的任何软件）中的装置、模块、电流源、电路或示波器。
综上所述，本发明创造性地通过信号生成装置生成一组激励信号，通过测量电路将该组激励信号中的不同激励信号分别施加在IGBT模块的等效热阻模型的两端，以测量所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻，以及通过转换装置将所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻转换成所述占空比下的IGBT模块的瞬态热阻的响应曲线。由此，本发明可搭建出一套针对IGBT模块的等效热阻仿真电路，通过改变仿真电路中的脉冲方波激励信号来快速获取IGBT模块的瞬态热阻的响应曲线。
本发明一实施例提供一种瞬态热阻的模拟方法。所述模拟方法包括：生成一组激励信号，其中，该组激励信号中的不同激励信号具有相同的占空比与不同的周期；将所述不同激励信号分别施加在IGBT模块的等效热阻模型的两端，以测量所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻；以及将所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻转换成所述占空比下的IGBT模块的瞬态热阻的响应曲线。
优选地，所述模拟方法还包括：根据所述IGBT模块的测量的瞬态热阻曲线，获取所述等效热阻模型中的各个模块的热阻与热容。
优选地，所述等效热阻模型包括局部网络热路模型。
优选地，所述将所述不同激励信号分别施加在IGBT模块的等效热阻模型的两端包括：将所述不同激励信号转换为相应的受控电流；将所述相应的受控电流施加在IGBT模块的等效热阻模型的两端；以及测量通过所述相应的受控电流的所述等效热阻模型的两端的电压，以获取通过所述相应的受控电流的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻。
有关本发明实施例提供的瞬态热阻的模拟方法的具体细节及益处可参阅上述针对瞬态热阻的模拟系统的描述，于此不再赘述。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种瞬态热阻的模拟系统，其特征在于，所述模拟系统包括：
信号生成装置，用于生成一组激励信号，其中，该组激励信号中的不同激励信号具有相同的占空比与不同的周期；
测量电路，用于将所述不同激励信号分别施加在IGBT模块的等效热阻模型的两端，以测量所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻；以及
转换装置，用于将所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻转换成所述占空比下的IGBT模块的瞬态热阻的响应曲线。
2.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述模拟系统还包括：
获取装置，用于根据所述IGBT模块的测量的瞬态热阻曲线，获取所述等效热阻模型中的各个模块的热阻与热容。
3.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述等效热阻模型包括局部网络热路模型。
4.根据权利要求3所述的模拟系统，其特征在于，所述局部网络热路模型包括Foster模型。
5.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述测量电路包括：
受控电流源，用于将所述不同激励信号转换为相应的受控电流；
电流输入电路，用于将所述相应的受控电流施加在所述等效热阻模型的两端；以及
电压装置，用于测量通过所述相应的受控电流的所述等效热阻模型的两端的电压，以获取通过所述相应的受控电流的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻。
6.根据权利要求5所述的模拟系统，其特征在于，所述模拟系统还包括：
示波器，用于显示所述电压装置的示数。
7.一种瞬态热阻的模拟方法，其特征在于，所述模拟方法包括：
生成一组激励信号，其中，该组激励信号中的不同激励信号具有相同的占空比与不同的周期；
将所述不同激励信号分别施加在IGBT模块的等效热阻模型的两端，以测量所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻；以及
将所述不同激励信号下的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻转换成所述占空比下的IGBT模块的瞬态热阻的响应曲线。
8.根据权利要求7所述的模拟方法，其特征在于，所述模拟方法还包括：
根据所述IGBT模块的测量的瞬态热阻曲线，获取所述等效热阻模型中的各个模块的热阻与热容。
9.根据权利要求7所述的模拟方法，其特征在于，所述等效热阻模型包括局部网络热路模型。
10.根据权利要求7所述的模拟方法，其特征在于，所述将不同激励信号分别施加在IGBT模块的等效热阻模型的两端包括：
将所述不同激励信号转换为相应的受控电流；
将所述相应的受控电流施加在IGBT模块的等效热阻模型的两端；以及
测量通过所述相应的受控电流的所述等效热阻模型的两端的电压，以获取通过所述相应的受控电流的所述等效热阻模型的最大瞬态热阻。
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