CN116484777B - 热网络模型建模及芯片温度计算方法、设备及存储介质 - Google Patents
热网络模型建模及芯片温度计算方法、设备及存储介质 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116484777B CN116484777B CN202310721350.6A CN202310721350A CN116484777B CN 116484777 B CN116484777 B CN 116484777B CN 202310721350 A CN202310721350 A CN 202310721350A CN 116484777 B CN116484777 B CN 116484777B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- chip
- power module
- thermal
- temperature
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 87
- 238000003860 storage Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 37
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 35
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 54
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 51
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 claims description 42
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 claims description 36
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 35
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 34
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 34
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 27
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims description 20
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 17
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims description 16
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 13
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 13
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 10
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 44
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 30
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 19
- 230000008569 process Effects 0.000 description 17
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 11
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 9
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 9
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 9
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 9
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 230000004044 response Effects 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 239000005022 packaging material Substances 0.000 description 3
- 101100260051 Caenorhabditis elegans cct-1 gene Proteins 0.000 description 2
- 101100152619 Drosophila melanogaster CCT1 gene Proteins 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 238000006880 cross-coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000003862 health status Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012536 packaging technology Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/30—Circuit design
- G06F30/32—Circuit design at the digital level
- G06F30/33—Design verification, e.g. functional simulation or model checking
- G06F30/3308—Design verification, e.g. functional simulation or model checking using simulation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
- G01R31/2601—Apparatus or methods therefor
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/30—Circuit design
- G06F30/39—Circuit design at the physical level
- G06F30/398—Design verification or optimisation, e.g. using design rule check [DRC], layout versus schematics [LVS] or finite element methods [FEM]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/06—Power analysis or power optimisation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)
Abstract
本发明提供一种热网络模型建模及芯片温度计算方法、设备及存储介质。功率模块热网络模型包括K个传热支路；第i个功率损耗元件与热沉连接，第i个功率损耗元件、节点Y(i,1)之间设置热阻Ri,1,1；节点Y(i,na)与节点Y(i,na+1)之间设置相互串联的热阻Ri,na,2、热阻Ri,na+1,1，节点Y(i,N)与节点Y(i,N+1)之间设置有热阻Ri,N,2；节点Y(i,nb)与热沉之间设置热容Ci,nb；阻值根据热流密度、第nb层的厚度、实际功率损耗、第i条路径上第nb层的热导率确定；容值根据热流密度、第nb层的厚度、实际功率损耗、第i条路径上第nb层的比热容、第nb层的密度确定。
Description
技术领域
本发明属于电力电子器件领域，具体涉及一种功率模块热网络模型建模方法、芯片表面温度计算方法、计算机设备及存储介质。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)广泛应用在新能源汽车，航空航天，电力系统等重要领域。
如图1所示，在现有焊接式封装技术条件下，IGBT模块外壳内的7层封装结构自上而下(功率模块高度方向)依次为芯片层L1、芯片焊料层L2、上铜层L3、陶瓷层L4、下铜层L5、衬底焊料层L6与基板层L7。功率模块在运行过程中，热量由芯片层产生，向下传导经过芯片焊料层、上铜层、陶瓷层、下铜层、衬底焊料层、基板层与导热硅脂层，最终到达外部冷却系统（例如散热器5）。导热硅脂4连接基板层与外部的散热器5，起到填充缝隙、提升热传递效率的作用。散热器即为通过导热硅脂与基板层接触的冷却器件。散热器可为风冷散热器或水冷散热器。
随着技术进步，IGBT功率模块的功率密度等级和工作结温不断提升，芯片甚至是模块承受着更大的温度波动，失效风险变得更加严峻。因此，获取准确的IGBT功率模块内部温度的分布信息对于模块的主动热管理和健康状态评估显得尤为重要。
基于现有测温技术，模块内部芯片的温度在不破坏封装的情况下难以获取，因此需要建立辅助模型来准确快速的求取所需温度，从而实现准确监测模块内部芯片表面结温的变化。
热网络模型（或称阻抗热网络模型）凭借使用成本低、非侵入式测量、计算速度快等优势被广泛应用于功率模块结温监测。在传统一维热网络模型研究中，将功率模块传热路径等效为一维传热路径，热路类比于电路，使用R表示热阻（类似于电路中的电阻），C表示热容（类似于电路中的电容），最终构成RC热等效电路模型。热网络模型中的各个节点即与实际的7层封装结构中各层的设定测量位置对应，从而可以根据热网络模型中节点的温度得到相应设定测量位置的温度。但是在一维热网络模型中，仅能得到IGBT芯片的最大结温或功率模块某个IGBT芯片的结温，无法获知IGBT芯片的温度分布信息或功率模块的温度分布信息（功率模块中不同芯片的温度）。
为了得到IGBT芯片的温度分布，3-D热网络模型被提出，即利用有限元热仿真模型得到热网络模型中各个节点（即各层设定测量位置）对应的动态温度曲线，再辨识热网络模型中相应的热阻、热容参数，利用搭建的3-D热网络模型获取IGBT芯片表面关键点的温度信息。但是上述3-D热网络模型建模方法，需要利用瞬态有限元仿真确定节点的瞬态温度响应曲线，才能对每层封装结构对应的热阻、热容进行辨识，由于模型中热阻、热容个数较多，使得3-D热网络建模过程仿真耗时较长、效率低，实用性较差，无法满足功率模块温度分布估计需求。
发明内容
本发明要解决的问题是针对现有3-D热网络模型中需先利用瞬态有限元仿真确定各个节点的瞬态温度响应曲线才能辨识热网络模型中热阻、热容参数导致热网络模型建模过程所需仿真耗时较长、效率较低、RC参数求解过程复杂、无法满足功率模块温度分布估计需求的问题，提供一种热网络模型建模及芯片温度计算方法、设备及存储介质。
本发明提供一种功率模块热网络模型建模方法，功率模块封装结构层数为N，所述功率模块封装结构在高度方向由上至下依次为第1层、第2层、……、第N层；第1层、第N层分别对应为芯片层、基板层。
定义芯片层的热等效结构由K个子结构构成。该方法包括：设置K个相互独立设置的传热支路，K≥2；第i个传热支路包括第i个功率损耗元件以及N+2个节点Y(i,1)、Y(i,2)、……、Y(i,N+1)、Y(i,N+2)；节点Y(i,N+1)的温度值为基板层底面第i个测量点Tci的温度测量值Tc(i)；i=1,2,……,K；第i个功率损耗元件的功率损耗值为功率模块芯片层的热等效结构的实际功率损耗Ploss；芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心、第i个测量点Tci之间的直线连线形成第i条路径，每条路径均与功率模块高度方向平行；第i个功率损耗元件两端分别与热沉、节点Y(i,N+2)对应连接；节点Y(i,N+2)的温度代表芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心的温度；节点Y(i,N+2)、节点Y(i,1)之间设置有热阻Ri,1,1；节点Y(i,na)与节点Y(i,na+1)之间设置有相互串联的热阻Ri,na,2、热阻Ri,na+1,1，节点Y(i,N)与节点Y(i,N+1)之间设置有热阻Ri,N,2；节点Y(i,nb)与热沉之间设置有热容Ci,nb；na=1,2,……,N-1；nb=1,2,……,N；热阻Ri,nb,1、热阻Ri,nb,2的阻值均为R(i,nb)，R(i,nb)根据第i条路径上的热流密度、第nb层的厚度、实际功率损耗Ploss、第i条路径上第nb层的热导率确定；热容Ci,nb的容值C(i,nb)根据第i条路径上的热流密度、第nb层的厚度、实际功率损耗Ploss、第i条路径上第nb层的比热容、第nb层的密度确定。其中，热流密度可通过仿真确定。
a)K个子结构高度相同，K个子结构拼接形成IGBT芯片，每个子结构的侧壁均与功率模块高度方向平行，所述功率模块中IGBT芯片的数量为1；或者
b)K个子结构为功率模块中设置的K个芯片；
b1)所述芯片为IGBT芯片，K为功率模块中IGBT芯片的数量；或者
b2)所述芯片包括IGBT芯片和二极管芯片，K为功率模块中IGBT芯片、二极管芯片的数量之和。
如果要利用热网络模型获得芯片上表面上与各个子结构分别对应的各个区域中心的温度，则需确定各个热阻的阻值、各个热容的容值。本发明中，热阻Ri,nb,1、热阻Ri,nb,2的阻值R(i,nb)根据热流密度、第nb层的厚度（可预先得到）、实际功率损耗（可通过测量快速得到）、热导率（无需通过有限元仿真）确定；热容Ci,nb的容值C(i,nb)根据热流密度、第nb层的厚度（可预先得到）、实际功率损耗（可通过测量快速得到）、比热容（无需通过有限元仿真）、第nb层的密度（可预先得到）确定。因此，在确定热阻、热容的参数值时，本申请需经过仿真确定的仅有热流密度。相比于现有技术中需利用瞬态有限元仿真确定每个节点的瞬态温度响应曲线、再根据瞬态温度响应曲线对每层封装结构对应的热阻、热容进行辨识的方案，本申请中仅需通过仿真确定热流密度，因此本申请的方案耗时大大减少，效率明显提高。
当K个子结构为K个高度相同的芯片子部分时，即芯片层的热等效结构为功率模块中的一个IGBT芯片时，根据本申请的方案可以得到芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心的温度，即得到IGBT芯片上表面多个位置的温度，从而获得IGBT芯片上表面的温度分布。
当K个子结构为功率模块中设置的K个芯片、芯片层的热等效结构为功率模块中的K个IGBT芯片时，根据本申请的方案可以得到芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心的温度，即得到功率模块中各个IGBT芯片上表面中心位置的温度，从而获得功率模块中的温度分布。
当K个子结构为功率模块中设置的K个芯片、芯片层的热等效结构为功率模块中的各个芯片（包括IGBT芯片、二极管芯片）时，根据本申请的方案可以得到芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心的温度，即得到功率模块中各个芯片上表面中心位置的温度，从而获得功率模块中的温度分布。
上述技术方案中：
当nb=1时，阻值R(i,nb)、容值C(i,nb)的计算公式为：
；
当2≤nb≤N时，阻值R(i,nb)、容值C(i,nb)的计算公式为：
；
其中，qs(0)为第i条路径上第1层底面的热流密度，d(nb)为第nb层的厚度，K(i,nb)为第i条路径上第nb层的热导率，c(i,nb)为第i条路径上第nb层的比热容，ρ(nb)为第nb层的密度，q(i,nb,z)为第i条路径上与第nb层顶面距离为z的位置处的热流密度，dz表示自变量z的微分。
本发明中，根据上述公式，即可确定各个热阻的阻值、各个热容的容值。相比于现有技术中需利用瞬态有限元仿真确定每个节点的瞬态温度响应曲线、再根据瞬态温度响应曲线对每层封装结构对应的热阻、热容进行辨识的方案，本申请可通过有限元仿真得到热流密度，再经过简单的积分运算即可获得阻值、容值计算公式中的相应积分项的结果。因此本申请的方案耗时大大减少，效率明显提高。
上述技术方案中：qs(0)、的确定方法为：
在仿真中构建功率模块的模型，在第i个子结构对应的模型施加功率损耗Ploss(i)，且在功率模块模型底端施加所确定的等效对流散热系数htc_eq，得到各条路径上的热流密度，从而确定qs(0)、的值；其中，Ploss(i)的表达式为α(i)×Ploss、或α(i)×Ploss_pre、或α(i)×PSloss；Ploss_pre为预设功率损耗值；PSloss为通过实验确定的芯片层的热等效结构的功率损耗；α(i)为所确定的第i个子结构在芯片层的热等效结构的功率损耗中的占比；α(1)+α(2)+……+α(K)=1。
本发明中，根据上述设置，在不同的子结构施加不同的功率损耗，相比于现有技术中在功率模块中施加相同的功率损耗，本申请对功率模块的仿真更接近真实工况，使得仿真结果更准确。当采用Ploss(i)=α(i)×Ploss_pre或Ploss(i)=α(i)×PSloss的方案时，则仅需利用一次仿真即可计算得到热流密度，无需在功率损耗改变时再重新仿真计算热流密度。当采用Ploss(i)=α(i)×Ploss，则每次根据实际功率损耗计算热流密度，使得计算精度更高。
上述技术方案中：占比α(i)、等效对流散热系数htc_eq的确定方法为：
在仿真中构建功率模块的模型，且在第i个子结构对应的模型施加功率损耗PSloss(i)，使得PSloss(1)+PSloss(2)+……+PSloss(K)=PSloss，且在功率模块底端施加对流散热系数htc；
调整施加的对流散热系数htc、施加的功率损耗PSloss(1)、PSloss(2)、……、PSloss(K)的值，直到对任意的i值均满足TS(i)=TX(i)，其中，TS(i)为仿真中测量的芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心的温度，TX(i)为通过实验测量的芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心的温度；
将调整得到的PSloss(i)除以PSloss得到的值作为α(i)的值，将调整得到的对流散热系数htc作为等效对流散热系数htc_eq。
本发明中，根据上述设置，可根据预先实际实验与仿真，得到占比α(i)、等效对流散热系数htc_eq的值，使得在不同子结构施加的功率损耗与实际情况更接近。
上述技术方案中：TX(i)利用红外测量设备测量得到。
本发明中，利用红外测量设备，可对测量封装结构内的芯片上表面的温度进行测量，从而在预先实际实验中确定芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心的温度TX(i)。
上述技术方案中：当K个子结构为K个高度相同的芯片子部分、且所述功率模块中IGBT芯片的数量为1时，芯片层的热等效结构的功率损耗为IGBT芯片的集电极-发射极间电压、集电极电流Ic的乘积。
本发明中，根据上述设置，即可通过测量IGBT芯片的集电极-发射极间电压、集电极电流Ic，从而计算得到芯片层的热等效结构的功率损耗。
上述技术方案中：N=7，第1层、第2层、……、第N层分别对应为芯片层、芯片焊料层、上铜层、陶瓷层、下铜层、衬底焊料层、基板层；热导率K(i,4)、比热容c(i,4)分别为以节点Y(i,4)的温度为自变量的一元函数表达式；热导率K(i,1)为以节点Y(i,1)的温度为自变量的一元函数表达式；其他热导率、其他比热容分别为以预设温度为自变量的一元函数表达式。
申请人研究时发想，芯片层的热阻、陶瓷层的热阻、陶瓷层的热容受温度影响较大，因此芯片层的热阻对应的热导率、陶瓷层的热阻对应的热导率、陶瓷层的热容对应的比热容根据对应的实际的温度计算，从而使得受温度影响较大的热阻、热容的计算更符合实际温度情况，即相应热阻和热容的值更准确。例如芯片层的热阻对应的热导率K(i,1)为以节点Y(i,1)的温度为自变量的一元函数表达式，陶瓷层的热阻对应的热导率K(i,4)、陶瓷层的热容对应的比热容c(i,4)分别为以节点Y(i,4)的温度为自变量的一元函数表达式。由于其他热阻、其他热容受温度影响较小，因此采用预设温度为自变量的一元函数表达式，从而尽量简化计算。
本发明还提供一种芯片表面温度计算方法，所述芯片表面温度计算方法包括：
利用上述功率模块热网络模型建模方法得到功率模块热网络模型；利用下式计算芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心的温度Tj(i)：
；
其中，Zeq(i)为根据功率模块热网络模型得到的第i个传热支路上节点Y(i,N+1)、节点Y(i,N+2)之间的等效阻抗。
本发明中，根据上述设置，即可利用较为简单的表达式计算得到芯片层上表面上与各个子结构分别对应的各个区域中心的温度，从而可以得到芯片层上表面的温度分布。
本发明还提供一种计算机设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述功率模块热网络模型建模方法的步骤和/或实现如上述芯片表面温度计算方法的步骤。
本发明还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述功率模块热网络模型建模方法的步骤和/或实现如上述芯片表面温度计算方法的步骤。
基于上述技术方案，本发明提出的功率模块热网络模型建模方法具有以下有益效果：
1）本发明提出的功率模块热网络模型建模方法考虑了IGBT芯片功率分布不均匀特性，提高了利用热网络模型获取IGBT芯片温度分布的准确性。
2）与现有的用于获取IGBT芯片温度分布的3-D热网络模型相比，本发明的3-D热网络模型无需确定热阻抗模型中节点的瞬态温度响应曲线，无需计算耦合热阻抗矩阵，而是利用等效热流密度曲线计算等效热阻抗，能够有效降低热阻、热容参数提取所需的有限元仿真时间，大大减少了所需计算的RC（热阻、热容）参数的数量，极大的降低了建模的难度，建模效率和模型的适用性均大大提高。
3）本发明的3-D热网络模型考虑了功率模块封装材料的温度特性（陶瓷层、芯片层的相关热参数（热阻或热容）随温度变化），从而可以保证高温区域时IGBT芯片温度分布的准确获取。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有的功率模块封装结构中各层的设定测量位置的示意图；
图2是本发明实施例1的IGBT芯片划分区域示意图；
图3是本发明实施例1的利用有限元仿真获取的IGBT芯片目标监测点的分布示意图；
图4是本发明实施例1的等效热流路径示意图；
图5是本发明实施例1的用于获取IGBT芯片温度分布的3-D热网络模型示意图；
图6是本发明实施例1的热网络模型建模方法流程示意图；
图7、图8、图9分别是采用本发明的芯片温度计算方法得到的3个不同目标监测点的温度计算结果与采用有限元仿真得到的上述3个不同目标监测点的温度对比示意图；
图10是本发明实施例2的获取目标监测点的法向热流密度曲线示意图；
图11是本发明实施例2的用于获取模块内部多个芯片温度分布的3-D热网络模型示意图；
图12是本发明实施例3的用于获取模块内部两个IGBT芯片温度分布的3-D热网络模型示意图；
图13是本发明实施例3的等效热流路径示意图；
图14是本发明实施例3中在不同功率损耗条件下，采用本发明的芯片温度计算方法与采用有限元仿真方法得到的第1个IGBT芯片的结温对比示意图；
图15是本发明实施例3中在不同功率损耗条件下，采用本发明的芯片温度计算方法与采用有限元仿真方法得到的第2个IGBT芯片的结温对比示意图；
图16是本发明实施例3中在不同散热条件（对流散热系数）下，采用本发明的芯片温度计算方法与采用有限元仿真方法得到的第1个IGBT芯片的结温对比示意图；
图17是本发明实施例3中在不同散热条件（对流散热系数）下，采用本发明的芯片温度计算方法与采用有限元仿真方法得到的第2个IGBT芯片的结温对比示意图；
图18是本发明实施例3中在不同环境温度下，采用本发明的芯片温度计算方法与采用有限元仿真方法得到的第1个IGBT芯片的结温对比示意图；
图19是本发明实施例3中在不同环境温度下，采用本发明的芯片温度计算方法与采用有限元仿真方法得到的第2个IGBT芯片的结温对比示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
本实施例1提供一种功率模块热网络模型建模方法，所述功率模块封装结构层数为N，所述功率模块封装结构在高度方向由上至下依次为第1层、第2层、……、第N层；第1层、第N层分别对应为芯片层L1、基板层L7。
定义芯片层的热等效结构由K个子结构构成。
所述功率模块热网络模型建模方法包括：建立功率模块热网络模型，所述功率模块热网络模型包括K个相互独立设置的传热支路，K≥2；第i个传热支路包括第i个功率损耗元件、N+2个节点Y(i,1)、Y(i,2)、……、Y(i,N+1)、Y(i,N+2)；节点Y(i,N+1)的温度值为基板层底面第i个测量点Tci的温度测量值Tc(i)；i=1,2,……,K；第i个功率损耗元件的功率损耗值为功率模块芯片层的热等效结构的实际功率损耗Ploss；芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心、第i个测量点Tci之间的直线连线形成第i条路径，每条路径均与功率模块高度方向平行；第i个功率损耗元件两端分别与热沉、节点Y(i,N+2)对应连接；节点Y(i,N+2)的温度代表芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心的温度；节点Y(i,N+2)、节点Y(i,1)之间设置有热阻Ri,1,1；节点Y(i,na)与节点Y(i,na+1)之间设置有相互串联的热阻Ri,na,2、热阻Ri,na+1,1，节点Y(i,N)与节点Y(i,N+1)之间设置有热阻Ri,N,2；节点Y(i,nb)与热沉之间设置有热容Ci,nb；na=1,2,……,N-1；nb=1,2,……,N；热阻Ri,nb,1、热阻Ri,nb,2的阻值均为R(i,nb)，R(i,nb)根据第i条路径上的热流密度、第nb层的厚度、实际功率损耗Ploss、第i条路径上第nb层的热导率确定；热容Ci,nb的容值C(i,nb)根据第i条路径上的热流密度、第nb层的厚度、实际功率损耗Ploss、第i条路径上第nb层的比热容、第nb层的密度确定。
本实施例1中，K个子结构为K个高度相同的芯片子部分，K个子结构拼接形成IGBT芯片，每个子结构的侧壁均与功率模块高度方向平行，所述功率模块中IGBT芯片的数量为1。
当nb=1时，阻值R(i,nb)、容值C(i,nb)的计算公式为：
；
当2≤nb≤N时，阻值R(i,nb)、容值C(i,nb)的计算公式为：
；
其中，qs(0)为第i条路径与第1层底面交点的热流密度，d(nb)为第nb层的厚度，K(i,nb)为第i条路径上第nb层的热导率，c(i,nb)为第i条路径上第nb层的比热容，ρ(nb)为第nb层的密度，q(i,nb,z)为第i条路径上与第nb层顶面距离为z的位置处的热流密度，dz表示自变量z的微分。
qs(0)、的确定方法为：
在仿真中构建功率模块的模型，在第i个子结构对应的模型施加功率损耗Ploss(i)，且在功率模块模型底端施加所确定的等效对流散热系数htc_eq，得到各条路径上的热流密度，从而确定qs(0)、的值；其中，Ploss(i)的表达式为α(i)×Ploss、或α(i)×Ploss_pre、或α(i)×PSloss；Ploss_pre为预设功率损耗值；PSloss为在预先实际实验中确定的芯片层的热等效结构的功率损耗；α(i)为所确定的第i个子结构在芯片层的热等效结构的功率损耗中的占比；α(1)+α(2)+……+α(K)=1。
占比α(i)、等效对流散热系数htc_eq的确定方法为：
在预先实际实验中确定芯片层的热等效结构的功率损耗PSloss，在预先实际实验中确定芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心的温度TX(i)，且在仿真中构建功率模块的模型；
仿真中，在第i个子结构对应的模型施加功率损耗PSloss(i)，使得PSloss(1)+PSloss(2)+……+PSloss(K)=PSloss，且在功率模块底端施加对流散热系数htc；
调整施加的对流散热系数htc、施加的功率损耗PSloss(1)、PSloss(2)、……、PSloss(K)的值，直到仿真中测量的芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心的温度TS(i)对任意的i值均满足TS(i)=TX(i)；
将调整后得到的PSloss(i)除以PSloss得到的值作为α(i)的值，将调整后得到的对流散热系数htc作为等效对流散热系数htc_eq。
TX(i)利用红外测量设备测量得到。利用红外测量设备对功率模块内温度分布进行测量为已有技术内容。实际应用中，可将功率模块封装拆开，利用红外测量设备测量完成后，再装好。
当K个子结构为K个高度相同的芯片子部分、且所述功率模块中IGBT芯片的数量为1时，芯片层的热等效结构的功率损耗为IGBT芯片的集电极-发射极间电压、集电极电流Ic的乘积。
N=7，第1层、第2层、……、第N层分别对应为芯片层L1、芯片焊料层L2、上铜层L3、陶瓷层L4、下铜层L5、衬底焊料层L6、基板层L7。
热导率K(i,4)、比热容c(i,4)分别为以节点Y(i,4)的温度为自变量的一元函数表达式；热导率K(i,1)为以节点Y(i,1)的温度为自变量的一元函数表达式；各层对应的其他热导率、其他比热容分别为以预设温度为自变量的一元函数表达式。预设温度为功率模块工作的环境温度。本实施例中，预设温度可为25℃。
本发明还提供一种芯片表面温度计算方法，所述芯片表面温度计算方法包括：
利用上述功率模块热网络模型建模方法得到功率模块热网络模型；
利用下式计算芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心的温度Tj(i)：
；
其中，Zeq(i)为根据功率模块热网络模型得到的第i个传热支路上节点Y(i,N+1)、节点Y(i,N+2)之间的等效阻抗。
本发明还提供一种计算机设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述所述的功率模块热网络模型建模方法的步骤和/或实现上述芯片表面温度计算方法的步骤。
本发明还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述功率模块热网络模型建模方法的步骤和/或实现上述芯片表面温度计算方法的步骤。
当K个子结构为K个高度相同的芯片子部分、且所述功率模块中IGBT芯片的数量为1时，各个芯片子部分的体积可相等。需要说明的是，本实施例也适用于各个芯片子部分体积不等的情况。
以下对本实施例1进一步说明。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：一种用于获取IGBT芯片温度分布的快速3-D热网络模型建模方法（即功率模块热网络模型建模方法）。
所述快速3-D热网络模型建模方法包括如下步骤：
步骤1：根据IGBT功率模块7层封装结构的材料和尺寸参数，建立IGBT功率模块有限元热仿真模型，其中所述IGBT功率模块7层封装结构的第1层结构、第2层结构、……、7层结构分别为芯片层L1、芯片焊料层L2、上铜层L3、陶瓷层L4、下铜层L5、衬底焊料层L6、基板层L7。
带散热器典型焊接式IGBT功率模块示意图见图1。IGBT芯片层目标监测点为IGBT芯片层上表面一点，该点温度记为Tj。法线（即功率模块高度方向）与芯片焊料层、上铜层、陶瓷层、下铜层、衬底焊料层、基板层和导热硅脂层的上表面交点的温度依次记为：Ts1、Tcp1、Tce、Tcp2、Ts2、Tba和Tc。依据功率模块封装结构的材料和尺寸参数，建立有限元模型。需要说明，键合线3对芯片表面温度影响很小，为简化有限元模型，可将其忽略；用铜基板下表面等效对流散热系数代替散热器与导热硅脂4的散热能力，不再对导热硅脂层与散热器5进行建模。
步骤2：考虑到IGBT芯片功率不均匀特性，将有限元热仿真模型中的IGBT芯片划分为多个子块，利用实验结果校准有限元热仿真模型中不同子块的损耗权重。
由于IGBT芯片功率分布不均匀，考虑将IGBT芯片划分为K个子块，如图2所示，每一子块单独施加不同权重的损耗Ploss(i)，可表示为：
；
式中，Ploss为IGBT芯片总的损耗，α(i)为第i个子块（即第i个子结构）的损耗权重。利用实验中测量到的信息，包括集电极-发射极压降Vce、集电极电流Ic、环境温度Ta。壳温Tc以及红外获取的IGBT芯片表面温度分布，设置有限元模型中环境温度Ta为预先实际实验中测量到的温度，并调节有限元热仿真模型中的IGBT芯片各划分子块的损耗权重α(i)和铜基板等效对流散热系数htc，使得有限元IGBT芯片表面的温度分布与实验中用红外相机获得的温度分布一致，记录此时不同子块的损耗权重α(i)与对流散热系数htc。
步骤3：在有限元热仿真模型中设置与实际对应的边界条件，获取目标监测点的法向热流密度曲线。
确定IGBT芯片表面目标监测点。如图3所示，本案例中选取IGBT芯片表面9个等距监测点进行温度监测。设置有限元边界条件，利用有限元稳态热仿真获取目标监测点的法向（即功率模块高度方向）热流密度曲线。
步骤4：针对单个IGBT芯片，分析其表面不同温度监测点的等效传热路径。
因考虑IGBT芯片功率分布不均匀特性，在所述步骤2中将IGBT芯片划分为K个子块并被施加不同权重的损耗，此时单热源发热问题变为了多热源发热问题。通常面对多热源发热问题，需要建立一个可以表示所有重要的热耦合关系的热阻抗矩阵，则IGBT监测点的结温信息可以通过下式获取：
；
式中，Tj(i)表示监测点i的结温，ZK表示监测点K的自热阻抗，ZmK表示监测点m与监测点K间的耦合热阻抗，Tc(i)表示监测点i的参考壳温。然而，基于耦合热阻抗矩阵的3-D热网络模型在实际应用中存在许多问题，如有限元仿真耗时多(需要进行多次FEM仿真以获取监测点瞬态温度响应)、参数计算过程复杂(所需计算的RC数量多)等。结合上述公式，发现监测点的温度信息可以利用下式计算：
；
式中，Zeq(i)为从总的IGBT芯片损耗Ploss的角度来看的监测点i的等效传热路径上的等效结壳热阻抗。基于现有知识，一旦确定了不同分块的Ploss(i)的权重α(i)，由于功率模块的封装材料的热性能可以通过查阅相关资料获知，不同子块的等效热阻抗也就可以相应确定。因此，对于多热源工况下的3-D热网络建模问题，完全可以不再按照现有固定的方法来计算互阻抗矩阵，而是可以从整个Ploss的角度研究监测点i的等效传热路径，计算等效热阻抗，以减少针对多热源工况下3-D热网络模型中所需计算的RC参数的数量，简化参数识别过程，提高模型的实用性。
图4为不同监测点的传热路径等效过程。为了方便展示和理解，图4以监测点i1和监测点i2为例(对应着IGBT芯片上划分的子块的损耗分别为Ploss(1)和Ploss(2))描述了两个热源同时作用下的等效热流路径的获取过程。图4中，q z-1、q z-2分别表示对应的热流密度。
对于等效后的每个热源来说，其自身法向热流密度曲线保持不变，但等效后的芯片层上的功率损耗不再是单个子块上的值，而是多热源功率损耗总和。事实上，该过程可以理解为一个去耦合过程，此时多热源传热问题又重新变成了单热源问题，总的损耗仍被视为均匀施加等效后在芯片层，并且自芯片焊料层至基板层的热流路径也已成为等效热流路径。需要说明的是，等效后的传热路径遵循以下3个假设：
假设1：热量在等效后的从芯片焊料层到基板层区域均匀扩散；
假设2：热量只竖直向下传播，忽略内部各层的横向热扩散；
假设3：损耗之和ΣPloss(i)（即各个Ploss(i)的值之和）均匀地分布在等效后的各热源区域。
步骤5：利用获取到的法向热流密度曲线，基于等效热流路径概念计算目标路径的等效传热面积，并进一步求解功率模块不同封装层的等效热阻、等效热容参数。
不同于传统方式需要计算自热和耦合热参数，本发明中所提的快速3-D热网络建模方法仅需计算等效热阻抗即可。以监测点i1为例进行相应等效热参数计算介绍。
由于热量在芯片焊料层，上铜层，陶瓷层，下铜层，衬底焊料层和基板层这些层中只存在热传导过程，因此第nb层的等效传热面积Az-1(nb)可由下式计算：
；
式中，qz-1(nb)表示沿热流路径Γ1（热流路径Γ1即自芯片焊料层的上表面温度点Ts(1)指向基板下表面的温度点Tc(1)，相应点见图5）与第nb层对应的热流密度。考虑到材料的温度影响，相应的自芯片焊料层至基板层的各层等效热参数（即第nb层的热阻Rth-1(nb)、第nb层的热容Cth-1(nb)）计算如下：
；
其中KT(nb)、cT(nb)分别为第nb层的材料随温度变化的热导率和比热容，ρ(nb)表示第nb层的密度，d(nb)表示第nb层的厚度。而对于等效后的芯片层热参数，基于所述步骤4中的假设2，可采用带均匀内热源的一维热传导模型，芯片层上下表面的温度差则为：
；
式中，qs1-1表示热流路径Γ1与芯片焊料层上表面交点的热流密度值，dchip表示芯片焊料层的厚度，KTchip表示芯片层的热导率。相应地，芯片层的等效热参数（芯片层的热阻Rchip-1、热容Cchip-1）可以用下式计算：
；
式中，cTchip和ρchip分别表示芯片层的比热容和密度值，dchip表示芯片层的厚度。基于现有知识，芯片层的热阻、陶瓷层的热阻和陶瓷层的热容受温度影响较大，计算时考虑相应材料的热导率与比热容的温度影响，并且需要在热网络中利用温度信息实时迭代计算；对于其它等效热参数，受温度较小，计算其余等效热阻抗参数所用到的热导率与比热容采用25℃时的固定值。最终建立的用于获取IGBT芯片温度分布的快速3-D热网络模型如图5所示。需要说明，该热网络模型展示了获取IGBT芯片表面的9个等距监测点的温度信息，实际上IGBT芯片表面任一点的温度信息均可获得。图5中，Ts(i)、Tcp(i)、Tce(i)、Tb(i)分别表示第i条路径上芯片焊料层L2上表面、上铜层L3上表面、陶瓷层L4上表面、基板层L7上表面的温度。下铜层L5、衬底焊料层L6在图中省略。
步骤6：在LTspice电路仿真软件建立3-D热网络模型，考虑到封装材料对热参数的影响，利用热网络模型获取到的温度进行实时迭代，以准确获取IGBT芯片温度分布；
依据图6所示的建模流程在电路仿真软件中建立3-D热网络模型。为验证该3-D热网络模型获取IGBT芯片表面不同位置温度信息的准确性，图7-9对比了有限元热仿真结果与热网络模型结果进行了对比，这里选取了3个不同位置的监测点，i1、i2、i5，对应的温度依次即为Tj-1、Tj-2、Tj-5。很明显，由所建立的3-D热网络模型提取出来的温度信息与从有限元模型结果在不同位置点均对应的很好。并且，该热网络模型不仅可以准确监测低温时的温度信息，还可以准确获取高温时的温度信息。
实施例2
本实施例2与实施例1的区别在于：K个子结构为功率模块中设置的K个芯片。所述芯片为IGBT芯片、二极管芯片中的一种，K为功率模块中IGBT芯片、二极管芯片的数量之和。K个子结构为功率模块中设置的K个芯片，所述芯片为IGBT芯片、二极管芯片中的一种。
本实施例2考虑了功率模块中二极管芯片（续流二极管）的功率损耗。
本实施例2提出了一种基于等效热流路径的针对IGBT功率模块的3-D热网络模型建模方法，用于准确监测功率模块内部芯片表面结温的变化，进一步简化了3-D热网络模型建模过程，实用性与适用性大大提高。不同于任何以往3-D热网络模型，该新型3-D热模型无需计算耦合热阻抗矩阵，模型中所需计算的RC参数的数量大大减少。
一种基于等效热流路径的IGBT功率模块3-D热网络模型建模方法，所述建模方法包括如下步骤：
步骤1：有限元热模型建立。根据IGBT功率模块7层封装结构的材料和尺寸参数，建立IGBT功率模块有限元热仿真模型，其中所述IGBT功率模块7层封装结构从上到下分别为芯片层、芯片焊料层、上铜层、陶瓷层、下铜层、衬底焊料层、基板层。
典型焊接式IGBT功率模块封装结构示意图见图1，IGBT功率模块自上而下7层封装结构依次为芯片层L1、芯片焊料层L2、上铜层L3、陶瓷层L4、下铜层L5、衬底焊料层L6和基板层L7。芯片层目标监测点为芯片层表面一点，该点温度记为Tj，如图1中所示，其法线与芯片焊料层、上铜层、陶瓷层、下铜层、衬底焊料层、基板层和导热硅脂层的上表面交点的温度依次记为：Ts1、Tcp1、Tce、Tcp2、Ts2、Tba和Tc，Ta为环境温度。依据功率模块封装结构的材料和尺寸参数，建立有限元模型。需要说明，为简化有限元模型，一是芯片层上方的铝键合线对芯片表面温度影响很小，可将其忽略；二是用铜基板下表面等效对流散热系数(htc)代替散热器与导热硅脂的散热能力，不再对导热硅脂层与散热器进行建模，通过改变对流散热系数来改变模块的散热能力。
步骤2：添加热源。考虑模块中各个芯片（IGBT芯片、二极管芯片）的功率不均匀特点，在有限元仿真热模型中添加多个芯片，每个芯片设置不同的损耗值，并利用实验结果校准有限元热仿真模型中不同芯片的损耗权重。
单个模块内部包含多个IGBT芯片及续流二极管芯片，由于存在制造工艺偏差及不同位置处散热条件略有不同，相同工况下不同位置芯片的发热情况可能不同，尤其在极端工况下，功率分布极为不均匀。考虑该模块中有n个IGBT芯片和n个二极管芯片。假设各个IGBT芯片的损耗分别为Ploss(1)、Ploss(2)、……、Ploss(n)，各个二极管芯片的损耗分别为Ploss(d1)、Ploss(d2)、……、Ploss(dn)，该模型的关键步骤可表示为：
；
式中，Ploss为IGBT功率模块总的损耗，α(u)为第u个IGBT芯片占所有芯片总损耗的比重，α(du)为第u个二极管芯片占所有芯片总损耗比重的权重。利用实验中测量到的信息，设置有限元模型中环境温度Ta为预先实际实验中测量到的温度，设置总的损耗Ploss为集射极压降Vce与集电极电流Ic的乘积，并调节有限元热仿真模型中的各IGBT芯片和二极管芯片的损耗权重α(u)、α(du)和铜基板等效对流散热系数htc，使得有限元IGBT芯片表面的温度分布与实验中用红外相机获得的温度分布一致，此时得到的不同芯片的损耗权重α(u)与对流散热系数htc即为模型的等效阻抗计算关键参数和边界条件。
步骤3：获取热流密度信息，分析等效传热路径。在有限元热仿真模型中设置与实际对应的边界条件，获取目标监测点的法向热流密度曲线，其中边界条件包括功率损耗、环境温度以及对流散热系数，依据实验结果设置并修正。不同于单芯片的温度监测，这里认为每个芯片的发热是均匀的，考虑芯片的自热以及模块中不同位置处芯片之间产热的互相影响；分析模块内不同位置处的监测芯片的等效传热路径；推导等效过程，确定等效参数与等效前参数对应关系。
多个芯片同时发热时，其热量传递路径共享，导致其在能量传递过程中产生热交叉耦合效应，此时芯片的结温高于单独发热时产生的温度。为了表示模块内部多芯片的自发热和耦合热效应，需要建立一个可以表示所有重要的热耦合关系的热阻抗矩阵。
如果不忽略模块内部二极管芯片的发热，则对应的结温为：
；
式中，Tj(1)、Tj(2)、……、Tj(n)分别对应表示监测第1个、第2个、……、第n个IGBT芯片某一监测点处的结温；Tj(d1)、Tj(d2)、……、Tj(dn)分别对应表示监测第1个、第2个、……、第n个二极管芯片某一监测点处的结温；Z1,1、Z2,2、……、Zn,n分别对应表示第1个、第2个、……、第n个IGBT芯片的自热阻抗(芯片与外壳之间的热阻，简称结壳热阻抗)；Zd1,d1、Zd2,d2、……、Zdn,dn分别对应表示第1个、第2个、……、第n个二极管芯片的自热阻抗；按照芯片热阻模型计算得到的阻抗，Z1,d1表示监测第1个IGBT芯片监测点处与第1个二极管芯片监测点处之间的耦合热阻抗，表明第1个IGBT芯片对第1个二极管芯片造成的温度影响，Z1,2表示监测第1个IGBT芯片监测点处与第2个IGBT芯片监测点处之间的耦合热阻抗，表明第1个IGBT芯片对第2个IGBT芯片造成的温度影响；Tc(1)、Tc(2)、……、Tc(n)分别表示第1个、第2个、……、第n个IGBT芯片对应的参考壳温；Tc(d1)、Tc(d2)、……、Tc(dn)分别表示第1个、第2个、……、第n个二极管芯片对应的参考壳温。本实施例中，2n=K，即K值为功率模块内二极管芯片个数、IGBT芯片个数之和。
从上述公式可以看出，随着模块内芯片数量增加，求解阻抗矩阵的计算难度大大增加，对此，结合上述公式，监测点的温度信息可以得到如下公式：
；
式中，Zeq(1)为从总的功率模块损耗Ploss的角度来看的第1个IGBT芯片的等效传热路径上的等效结壳热阻抗（第1个IGBT芯片与外壳之间的热阻），Zeq(d1)为从总的功率模块损耗Ploss的角度来看的第1个二极管芯片的等效传热路径上的等效结壳热阻抗。因此，对于功率模块的3-D热网络建模问题，完全可以不再按照现有的方法来计算阻抗矩阵，而是可以从整个Ploss的角度研究监测点n的等效传热路径，计算等效热阻抗，以减少针对多热源工况下3-D热网络模型中所需计算的RC参数的数量，简化参数识别过程，提高模型的实用性。
为了便于理解建模过程，图10给出了利用有限元稳态热仿真获取目标监测点的热流密度曲线方向，选取自芯片焊料层至基板层的芯片中心竖直向下方向的方向热流路径，来计算对应层的有效传热面积。
对于等效后的每个芯片来说，其自身法向热流密度曲线保持不变，但等效后的每个芯片层上的功率损耗不再是单个芯片的损耗值，而是模块内所有芯片功率损耗总和。总的损耗仍被视为均匀施加在芯片层，并且自芯片焊料层至基板层的热流路径也已成为等效热流路径。需要说明的是，等效后的传热路径遵循以下3个假设：
假设1：热量在等效后的从芯片焊料层到基板层区域均匀扩散；
假设2：热量只竖直向下传播，忽略内部各层的横向热扩散；
假设3：损耗之和ΣPloss(i)（即各个Ploss(i)的值之和）均匀地分布在等效后的各热源区域。
步骤4：求解等效热参数。利用获取到的法向热流密度曲线，基于等效热流路径概念计算目标路径的等效传热面积，并进一步求解功率模块不同封装层的等效热阻、等效热容参数。不同于传统方式需要计算自热和耦合热参数，本发明中所提的基于等效热流路径的IGBT功率模块3-D热网络模型建模方法仅需计算等效热阻抗即可，以监测芯片IGBT1为例进行相应等效热参数计算介绍。
由于热量在芯片焊料层，上铜层，陶瓷层，下铜层，衬底焊料层和基板层这些层中只存在热传导过程，因此相应层的等效传热面积可由下式计算：
；
式中，qz-1(nb)表示沿热流路径Γ1（热流路径Γ1即自芯片焊料层的上表面温度点指向基板下表面的温度点，相应点见图11）与第nb层对应的热流密度。考虑到材料的温度影响，相应的自芯片焊料层至基板层的各层等效热参数（即第nb层的热阻Rth-1(nb)、第nb层的热容Cth-1(nb)）计算如下：
；
其中KT(nb)、cT(nb)为第nb层的材料随温度变化的热导率和比热容，d(nb)为第nb层的厚度。而对于等效后的芯片层热参数，基于所述步骤3中的假设2，可采用带均匀内热源的一维热传导模型，芯片层上下表面的温度差则为：
；
式中，qs1-1表示热流路径Γ1与芯片焊料层上表面交点的热流密度值，dchip表示芯片层的厚度，KTchip表示芯片层的热导率。相应地，芯片层的等效热参数（芯片层的热阻Rchip-1、热容Cchip-1）可以用下式计算：
；
式中，cTchip和ρchip分别表示芯片层的比热容和密度值。基于现有知识，芯片层的热阻、陶瓷层的热阻和陶瓷层的热容受温度影响较大，计算时考虑相应材料的热导率与比热容的温度影响，并且需要在热网络中利用温度信息实时迭代计算；对于其它等效热参数，受温度影响较小，计算其余等效热阻抗参数所用到的热导率与比热容采用25℃时的固定值。最终建立的基于等效热流路径的IGBT功率模块3-D热网络模型如图11所示。图11中，Ts(i)、Tcp(i)、Tce(i)、Tb(i)分别表示第i条路径上芯片焊料层L2上表面、上铜层L3上表面、陶瓷层L4上表面、基板层L7上表面的温度。下铜层L5、衬底焊料层L6在图中省略。
步骤5：仿真验证。在LTspice电路仿真软件基于等效热流路径的IGBT功率模块建立3-D热网络模型，利用热网络模型获取到的温度进行实时迭代，以准确获取IGBT模块内各芯片温度。
实施例3
本实施例3与实施例2的区别在于：所述芯片为IGBT芯片，K为功率模块中IGBT芯片的数量。在实施例2的基础上，本实施例3未考虑功率模块中二极管芯片（续流二极管）的功率损耗。需要说明，该实施例中仅展示了获取两个IGBT芯片的温度信息，实际上功率模块内部任一芯片表面的温度信息均可通过该模型获得。
该实施例中针对功率半导体模块的有限元模型及热模型研究的对象为DBC板上的两个IGBT芯片，记为IGBT1、IGBT2芯片。
图12是本发明实施例3的用于获取模块内部两个IGBT芯片温度分布的3-D热网络模型示意图。图12中，Ts(i)、Tcp(i)、Tce(i)、Tb(i)分别表示第i条路径上芯片焊料层L2上表面、上铜层L3上表面、陶瓷层L4上表面、基板层L7上表面的温度。下铜层L5、衬底焊料层L6在图中省略。模块内多个芯片的传热路径等效过程可参照图13，即Ploss(1)、Ploss(2)分别代表在第1个IGBT芯片、第2个IGBT芯片的功率损耗，q z-1、q z-2分别表示两个IGBT芯片的热流密度。多个芯片同时发热时，其传热路径部分重叠，按照现有阻抗矩阵模型计算非常复杂，参照图13描述了两个芯片热源同时作用下的等效热流路径的获取过程，即在有限元仿真中将所有芯片产生的总损耗（即Ploss(1)+Ploss(2)）作为施加在每个芯片上的热源且在芯片表面均匀分布，由此可以得到多个热源作用后的每个芯片监测点的等效热流密度曲线，等效热流密度曲线既准确反映了芯片的自热过程，同时极大的简化了芯片间热耦合效应的计算。
图14-图19中给出了有限元仿真结果（FEM）与热网络模型得到的结果对比。在本实施例中只给出了考虑两个IGBT芯片之间热相互作用（如图10所示）的结果，对应的结温分别为Tj(1)和Tj(2)。如图14-图19所示，本实施例中分别考虑了不同的功率损耗、散热条件和环境温度工况下对热网络模型在功率模块中获取不同位置IGBT芯片结温信息的影响，表1中给出了不同工况下利用热网络模型获取不同位置IGBT芯片结温误差情况，相较于有限元模型，在误差允许的范围内，热网络模型的最大误差仅有1.5%，如表1所示。表1中，∑Ploss为两个IGBT芯片的功率损耗之和，htc2为对流散热系数，Ta为环境温度。图14-图15中，P IGBT1、P IGBT2分别对应表示第1个IGBT芯片、第2个IGBT芯片的功率损耗。可以看出，由所建立的3-D热网络模型提取出来的考虑模块内部热相互作用的单个芯片的温度信息与有限元模型结果均对应的很好。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明涵盖范围之内。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (9)
1.一种功率模块热网络模型建模方法，功率模块封装结构层数为N，所述功率模块封装结构在高度方向由上至下依次为第1层、第2层、……、第N层；第1层、第N层分别对应为芯片层（L1）、基板层（L7），其特征在于：
该方法包括：设置K个相互独立设置的传热支路，K≥2；
第i个传热支路包括第i个功率损耗元件以及N+2个节点Y(i,1)、Y(i,2)、……、Y(i,N+1)、Y(i,N+2)；节点Y(i,N+1)的温度值为基板层底面第i个测量点Tci的温度测量值Tc(i)；i=1,2,……,K；
定义芯片层的热等效结构由K个子结构构成，每个功率损耗元件的功率损耗值均为所述热等效结构的实际功率损耗Ploss；
芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心、第i个测量点Tci之间的直线连线形成第i条路径，每条路径均与功率模块高度方向平行；
第i个功率损耗元件两端分别与热沉、节点Y(i,N+2)对应连接；节点Y(i,N+2)的温度代表芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心的温度；节点Y(i,N+2)、节点Y(i,1)之间设置有热阻Ri,1,1；节点Y(i,na)与节点Y(i,na+1)之间设置有相互串联的热阻Ri,na,2、热阻Ri,na+1,1，节点Y(i,N)与节点Y(i,N+1)之间设置有热阻Ri,N,2；节点Y(i,nb)与热沉之间设置有热容Ci,nb；na=1,2,……,N-1；nb=1,2,……,N；
热阻Ri,nb,1、热阻Ri,nb,2的阻值均为R(i,nb)；
阻值R(i,nb)根据第i条路径上的热流密度、第nb层的厚度、实际功率损耗Ploss、第i条路径上第nb层的热导率确定；
热容Ci,nb的容值C(i,nb)根据第i条路径上的热流密度、第nb层的厚度、实际功率损耗Ploss、第i条路径上第nb层的比热容、第nb层的密度确定；
a)K个子结构高度相同，K个子结构拼接形成IGBT芯片，每个子结构的侧壁均与功率模块高度方向平行，所述功率模块中IGBT芯片的数量为1；或者
b)K个子结构为功率模块中设置的K个芯片；
b1)所述K个芯片为IGBT芯片（1），K为功率模块中IGBT芯片的数量；或者
b2)所述K个芯片包括IGBT芯片（1）和二极管芯片（2），K为功率模块中IGBT芯片（1）、二极管芯片（2）的数量之和；
当nb=1时，阻值R(i,nb)、容值C(i,nb)的计算公式为：
；
当2≤nb≤N时，阻值R(i,nb)、容值C(i,nb)的计算公式为：
；
其中，qs(0)为第i条路径上第1层底面的热流密度，d(nb)为第nb层的厚度，K(i,nb)为第i条路径上第nb层的热导率，c(i,nb)为第i条路径上第nb层的比热容，ρ(nb)为第nb层的密度，q(i,nb,z)为第i条路径上与第nb层顶面距离为z的位置处的热流密度，dz表示自变量z的微分。
2.根据权利要求1所述的功率模块热网络模型建模方法，其特征在于：qs(0)、的确定方法为：
在仿真中构建功率模块的模型，在第i个子结构对应的模型施加功率损耗Ploss(i)，且在功率模块模型底端施加所确定的等效对流散热系数htc_eq，得到各条路径上的热流密度，从而确定qs(0)、的值；
其中，Ploss(i)的表达式为α(i)×Ploss、或α(i)×Ploss_pre、或α(i)×PSloss；Ploss_pre为预设功率损耗值；PSloss为通过实验确定的芯片层的热等效结构的功率损耗；
α(i)为所确定的第i个子结构在芯片层的热等效结构的功率损耗中的占比；α(1)+α(2)+……+α(K)=1。
3.根据权利要求2所述的功率模块热网络模型建模方法，其特征在于：占比α(i)、等效对流散热系数htc_eq的确定方法为：
在仿真中构建功率模块的模型，且在第i个子结构对应的模型施加功率损耗PSloss(i)，使得PSloss(1)+PSloss(2)+……+PSloss(K)=PSloss，且在功率模块底端施加对流散热系数htc；
调整施加的对流散热系数htc、施加的功率损耗PSloss(1)、PSloss(2)、……、PSloss(K)的值，直到对任意的i值均满足TS(i)=TX(i)，其中，TS(i)为仿真中测量的芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心的温度，TX(i)为通过实验测量的芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心的温度；
将调整得到的PSloss(i)除以PSloss得到的值作为α(i)的值，将调整得到的对流散热系数htc作为等效对流散热系数htc_eq。
4.根据权利要求3所述的功率模块热网络模型建模方法，其特征在于：TX(i)利用红外测量设备测量得到。
5.根据权利要求3所述的功率模块热网络模型建模方法，其特征在于：当K个子结构为K个高度相同的芯片子部分、且所述功率模块中IGBT芯片的数量为1时，芯片层的热等效结构的功率损耗为IGBT芯片的集电极-发射极间电压Vce、集电极电流Ic的乘积。
6.根据权利要求1所述的功率模块热网络模型建模方法，其特征在于：N=7，第1层、第2层、……、第N层分别对应为芯片层、芯片焊料层、上铜层、陶瓷层、下铜层、衬底焊料层、基板层；
热导率K(i,4)、比热容c(i,4)分别为以节点Y(i,4)的温度为自变量的一元函数表达式；热导率K(i,1)为以节点Y(i,1)的温度为自变量的一元函数表达式；各层对应的其他热导率、其他比热容分别为以预设温度为自变量的一元函数表达式。
7.一种芯片表面温度计算方法，其特征在于，所述芯片表面温度计算方法包括：
利用权利要求1-6中任一项所述的功率模块热网络模型建模方法得到功率模块热网络模型；
利用下式计算芯片层上表面上与第i个子结构对应的区域中心的温度Tj(i)：
；
其中，Zeq(i)为根据功率模块热网络模型得到的第i个传热支路上节点Y(i,N+1)、节点Y(i,N+2)之间的等效阻抗。
8.一种计算机设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6中任一项所述的功率模块热网络模型建模方法的步骤和/或实现如权利要求7所述的芯片表面温度计算方法的步骤。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的功率模块热网络模型建模方法的步骤和/或实现如权利要求7所述的芯片表面温度计算方法的步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310721350.6A CN116484777B (zh) | 2023-06-19 | 2023-06-19 | 热网络模型建模及芯片温度计算方法、设备及存储介质 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310721350.6A CN116484777B (zh) | 2023-06-19 | 2023-06-19 | 热网络模型建模及芯片温度计算方法、设备及存储介质 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116484777A CN116484777A (zh) | 2023-07-25 |
| CN116484777B true CN116484777B (zh) | 2023-10-13 |
Family
ID=87221725
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310721350.6A Active CN116484777B (zh) | 2023-06-19 | 2023-06-19 | 热网络模型建模及芯片温度计算方法、设备及存储介质 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116484777B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110133466A (zh) * | 2019-05-16 | 2019-08-16 | 上海金脉电子科技有限公司 | Igbt模块的结温计算方法及系统 |
| CN110988641A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-04-10 | 武汉大学 | 一种igbt模块结温在线估计电路系统及方法 |
| CN113343447A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-09-03 | 上海电力大学 | 一种低电压穿越工况下的igbt结温估算方法、系统及介质 |
| CN113779742A (zh) * | 2021-11-09 | 2021-12-10 | 飞腾信息技术有限公司 | 热阻网络简化模型建模方法、装置及芯片结温预测方法 |
| CN115017722A (zh) * | 2022-06-17 | 2022-09-06 | 合肥工业大学 | 一种igbt功率模块热网络模型的分区解耦计算方法 |
| CN115186556A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-10-14 | 湖南大学 | 热阻抗模型建模及结温估计方法、计算机设备及存储介质 |
| CN115796099A (zh) * | 2023-02-09 | 2023-03-14 | 湖南大学 | 基于分数阶热网络模型的SiC功率器件结温监测方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109871591A (zh) * | 2019-01-24 | 2019-06-11 | 武汉大学 | 一种igbt功率模块在线估算结温的方法 |
-
2023
- 2023-06-19 CN CN202310721350.6A patent/CN116484777B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110133466A (zh) * | 2019-05-16 | 2019-08-16 | 上海金脉电子科技有限公司 | Igbt模块的结温计算方法及系统 |
| CN110988641A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-04-10 | 武汉大学 | 一种igbt模块结温在线估计电路系统及方法 |
| CN113343447A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-09-03 | 上海电力大学 | 一种低电压穿越工况下的igbt结温估算方法、系统及介质 |
| CN113779742A (zh) * | 2021-11-09 | 2021-12-10 | 飞腾信息技术有限公司 | 热阻网络简化模型建模方法、装置及芯片结温预测方法 |
| CN115017722A (zh) * | 2022-06-17 | 2022-09-06 | 合肥工业大学 | 一种igbt功率模块热网络模型的分区解耦计算方法 |
| CN115186556A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-10-14 | 湖南大学 | 热阻抗模型建模及结温估计方法、计算机设备及存储介质 |
| CN115796099A (zh) * | 2023-02-09 | 2023-03-14 | 湖南大学 | 基于分数阶热网络模型的SiC功率器件结温监测方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| A 3-D Thermal Network Model for Monitoring of IGBT Modules;Heng ，K 等;IEEE Transaction on electron devices;全文 * |
| IGBT电力电子系统的电热建模及结温控制方法研究;樊鹏;中国博士学位论文全文库;全文 * |
| Physics-Based Trench-Gate Field-Stop IGBT Modeling with Optimization-Based Parameter Extraction for Device Parameters;杨鑫 等;IEEE Transactions on Electron Devices;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116484777A (zh) | 2023-07-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Górecki et al. | Compact thermal models of semiconductor devices: A Review | |
| Alavi et al. | Assessment of thermal network models for estimating IGBT junction temperature of a buck converter | |
| CN106407608A (zh) | 一种考虑热耦合的压接igbt模块稳态结温预测模型 | |
| CN112966391B (zh) | 一种基于傅里叶解析扩散角的功率模块热阻抗建模方法 | |
| CN115186556A (zh) | 热阻抗模型建模及结温估计方法、计算机设备及存储介质 | |
| Codecasa et al. | Compact dynamic modeling for fast simulation of nonlinear heat conduction in ultra-thin chip stacking technology | |
| Yang et al. | Distributed thermal modeling for power devices and modules with equivalent heat flow path extraction | |
| Zhang | Improved numerical-analytical thermal modeling method of the PCB with considering radiation heat transfer and calculation of components’ temperature | |
| CN113032984B (zh) | 一种基于傅里叶级数的功率模块热建模方法 | |
| CN115017722B (zh) | 一种igbt功率模块热网络模型的分区解耦计算方法 | |
| Oukaira et al. | Foster-based transient thermal analysis of SiP for thermomechanical studies | |
| Codecasa et al. | Fast nonlinear dynamic compact thermal modeling with multiple heat sources in ultra-thin chip stacking technology | |
| Han et al. | A thermal resistance network model based on three-dimensional structure | |
| CN116484777B (zh) | 热网络模型建模及芯片温度计算方法、设备及存储介质 | |
| Ren et al. | Finite element model optimization and thermal network parameter extraction of press-pack IGBT | |
| CN103093086A (zh) | 一种考虑非均匀衬底温度的二维热电制冷器电学模型 | |
| Yuan et al. | Improved Cauer thermal network considering thermal coupling effects of multi‐chip modules | |
| Maggioni et al. | Fast transient convolution-based thermal modeling methodology for including the package thermal impact in 3D ICs | |
| CN109740298A (zh) | 一种系统级封装芯片的结温预测方法 | |
| Cheng et al. | Research on thermal coupling effect of multi-heating sources in MCM | |
| CN114254483A (zh) | 一种半导体器件的电学和热学行为模拟方法 | |
| Zhang et al. | Hybrid Data-Driven and Mechanistic Modeling Approach for Power Module Rapid Thermal Analysis | |
| Baron et al. | Methodology for multi-die package semiconductor Thermal Model in a Dynamic Environment | |
| Mital et al. | Evaluation of thermal resistance matrix method for an embedded power electronic module | |
| Wang et al. | Block thermal model for high power lidded packages |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |