[發(fā)明專利]一種單芯片半橋IGBT功率模塊的熱網(wǎng)絡(luò)模型

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711136172.1
• 申請(qǐng)日: 2017-11-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107818952A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王學(xué)梅;袁訊;張波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L23/10
• 分類號(hào): H01L23/10;H01L23/367
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)仿真領(lǐng)域，更具體涉及一種單芯片半橋IGBT功率模塊的熱網(wǎng)絡(luò)模型。

背景技術(shù)

近年來(lái)，隨著IGBT功率模塊的快速發(fā)展使其廣泛應(yīng)用于航天、光伏、汽車(chē)等行業(yè)，其可靠性也得到越來(lái)越多的關(guān)注。功率模塊在各種工況下運(yùn)行造成其結(jié)溫隨機(jī)波動(dòng)，由于功率模塊內(nèi)部各層熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生不同方向的熱應(yīng)力，長(zhǎng)期運(yùn)行下，導(dǎo)致功率模塊發(fā)生故障或失效，進(jìn)而影響電力電子系統(tǒng)的可靠性。因此，對(duì)功率模塊的壽命預(yù)測(cè)尤為重要，一方面可以及時(shí)更換以保證系統(tǒng)的可靠性，另一方面可以實(shí)現(xiàn)在功率模塊的選型上留出一定的裕度以降低成本。

壽命預(yù)測(cè)需要建立電力電子系統(tǒng)的電熱耦合模型，以獲取功率模塊在一定工況下的實(shí)時(shí)溫度。功率模塊的熱網(wǎng)絡(luò)模型是電熱耦合模型中最重要的組成部分，決定了功率模塊在一定損耗下的結(jié)溫情況，其精確性將影響壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。

目前各功率模塊制造商提供的熱網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示，包含IGBT和Diode的結(jié)-殼熱阻R_th(j-c)I和R_th(j-c)D、殼-散熱器熱阻R_th(c-s)M、散熱器-環(huán)境熱阻R_th(s-a)，結(jié)合功率模塊的功率損耗計(jì)算出IGBT和Diode的結(jié)溫。此模型體現(xiàn)了當(dāng)多個(gè)芯片同時(shí)工作時(shí)，功率模塊的殼溫由各個(gè)芯片單獨(dú)工作引起殼溫的增長(zhǎng)相疊加的情況，但其認(rèn)為上下橋臂的基板表面的溫度相等，這種情況在水冷條件下可近似認(rèn)為成立，在自然冷卻情況下與實(shí)際情況不符，會(huì)導(dǎo)致功率模塊的溫度預(yù)測(cè)不正確。此外，該模型中的殼-散熱器熱阻Rth(c-s)M取不同運(yùn)行方式下的最大值，即IGBT或者Diode單獨(dú)工作時(shí)得到的熱阻值，這將會(huì)導(dǎo)致功率模塊運(yùn)行于逆變器狀態(tài)下的結(jié)溫預(yù)測(cè)偏大。

功率模塊工作在自然冷卻散熱條件下，各芯片的殼溫并不相等，例如單個(gè)芯片工作時(shí)，該芯片殼溫高于其他各芯片殼溫。然而工作芯片產(chǎn)生的熱量必然會(huì)引起其它各芯片殼溫、結(jié)溫的增長(zhǎng)。這是由于熱量傳遞時(shí)存在橫向傳導(dǎo)，如圖2所示，功率模塊工作時(shí)，IGBT芯片或者Diode芯片作為熱源，其熱量以角度α斜向下傳導(dǎo)。由于功率模塊內(nèi)芯片間的距離較近，其熱流路徑會(huì)相互交叉，進(jìn)而對(duì)彼此溫度產(chǎn)生影響，稱為芯片的溫度耦合現(xiàn)象。

耦合現(xiàn)象會(huì)影響功率模塊內(nèi)芯片的溫度，如圖3所示為SPWM調(diào)制下的單相橋式逆變電路的功率模塊的溫度波形圖，Tj和Dj分別為IGBT和Diode芯片的結(jié)溫，Tc、Dc分別為IGBT與Diode芯片的殼溫。研究發(fā)現(xiàn)在IGBT或Diode截止時(shí)其對(duì)應(yīng)殼溫也有所增加，在圖中虛線框處，IGBT芯片的殼溫在其截止時(shí)會(huì)受到Diode芯片溫度的影響而產(chǎn)生波動(dòng)；圖中實(shí)線框處，Diode芯片的殼溫在其截止時(shí)也受到IGBT芯片溫度的影響而產(chǎn)生波動(dòng)。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到，功率模塊運(yùn)行時(shí)各芯片殼溫并不相同，且芯片間的溫度會(huì)相互影響。現(xiàn)有的熱網(wǎng)絡(luò)模型將各芯片的殼溫視為一致，未能展現(xiàn)這種芯片間的耦合現(xiàn)象，且模型中的殼-散熱器熱阻取值為各種運(yùn)行方式如僅IGBT工作、僅Diode工作、IGBT與Diode都工作(逆變運(yùn)行)下的最大值，必然導(dǎo)致依此模型建立的電熱耦合模型預(yù)測(cè)的結(jié)溫與實(shí)際情況不符，因此有必要建立一個(gè)與實(shí)際情況相符合的耦合熱網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)精確的評(píng)估結(jié)溫。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種更加準(zhǔn)確的半橋功率模塊熱網(wǎng)絡(luò)模型，此模型兼顧同一橋臂上的IGBT與Diode的耦合以及不同橋臂間芯片的耦合情況。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種半橋功率模塊熱網(wǎng)絡(luò)模型包括：表示IGBT芯片到基板間的熱阻即IGBT結(jié)-殼熱阻、表示IGBT對(duì)應(yīng)位置的基板到散熱器間的熱阻即IGBT殼-散熱器熱阻、表示Diode芯片到基板間的熱阻即Diode結(jié)-殼熱阻，表示Diode對(duì)應(yīng)位置的基板到散熱器間的熱阻即Diode殼-散熱器熱阻，表示單個(gè)橋臂對(duì)應(yīng)位置的基板到散熱器間的熱阻即單個(gè)橋臂的散熱器-環(huán)境熱阻，表示上橋臂IGBT功率損耗的電流源、表示下橋臂IGBT功率損耗的電流源，表示上橋臂Diode的功率損耗的電流源、表示下橋臂Diode的功率損耗的電流源，表示環(huán)境溫度的電壓源，上下橋臂各芯片的結(jié)-殼熱阻與殼-散熱器熱阻以及表示上橋臂各芯片功率損耗的電流源串聯(lián)后相并聯(lián)，然后再與散熱器-環(huán)境熱阻、表示環(huán)境溫度的電壓源相串聯(lián)；表示單個(gè)橋臂內(nèi)的IGBT與Diode的殼溫的電壓節(jié)點(diǎn)之間存在耦合熱阻支路，表示上下橋臂Diode殼溫的電壓節(jié)點(diǎn)之間存在耦合熱阻，表示上下橋臂對(duì)應(yīng)的散熱器溫度的電壓節(jié)點(diǎn)之間存在耦合熱阻，熱網(wǎng)絡(luò)模型中的上下橋臂完全對(duì)稱。