一种IGBT热安全运行边界的预测方法及系统

本发明属于功率半导体器件热管理领域，更具体地，涉及一种igbt热安全运行边界的预测方法及系统。

背景技术：

1、绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，igbt）兼具mosfet输入阻抗高与双极型晶体管通流能力强的优点，是高功率脉冲调制系统中的关键开关器件。在高功率激光器中，常采用激光二极管作为泵浦负载，其输出光功率及光谱特性对驱动电流较为敏感，电流脉冲中的幅值波动、尖峰或脉间不一致均可能引起泵浦负载输出光功率变化，使不同周期内注入增益介质的能量产生偏差，进而影响激光输出能量的重复稳定性。为使激光增益介质在每个工作周期内获得稳定且可重复的能量注入，激光器驱动源需以脉冲恒流形式向激光二极管泵浦负载输出能量。此时，igbt作为激光器驱动源中的调制开关，通过周期性地导通与关断对储能电容输出的直流电流进行斩波，将其转换为幅值稳定、脉宽和重复频率可调的方波恒流脉冲，并输送至激光二极管泵浦负载，在此过程中igbt将承受重复频率高功率方波电流的持续作用。在重复频率高功率工况下，由于相邻脉冲之间的时间间隔通常远小于器件封装结构的散热时间常数，脉冲能量会在igbt芯片及其封装结构中持续积累，导致结温呈现明显的热累积上升趋势。当igbt结温长期接近或超过其允许极限时，芯片焊料层疲劳、键合线脱落、封装热阻增大等失效机制将被显著加速，从而降低器件运行可靠性，甚至造成热失控。

2、在结温预测方面，现有igbt结温预测方法主要包括有限元仿真方法和rc热网络方法。有限元仿真方法能够较准确地描述igbt内部多层封装结构的热传导过程，适合用于模块级热特性分析和模型校核，但其建模过程复杂、瞬态求解时间较长，难以直接用于宽参数范围下的大规模工况扫描和快速热安全运行边界构建。rc热网络方法计算效率较高，便于进行系统级仿真，适合用于重复频率高功率工况下的快速结温预测。根据网络拓扑及参数含义的不同，rc热网络模型可分为cauer模型和foster模型：cauer模型采用梯形rc网络结构，各阶热阻和热容与实际热传导路径相对应，物理意义较为明确，但参数提取相对复杂；foster模型由多个并联rc支路串联组成，其参数虽无实际物理意义，但可通过瞬态热阻抗曲线拟合直接获得，便于快速等效建模。然而，单纯依赖foster模型进行结温预测时，仍需解决热阻抗曲线准确提取、功率损耗建模、温度反馈及模型精度验证等问题。在热安全运行边界方面，现有研究主要围绕短路安全工作区、反偏安全工作区及正偏安全工作区等体系展开，其边界条件通常以集电极-发射极电压和集电极电流幅值作为主要限定参数，关注重点为短路、短时过载或单脉冲等单次工况下器件是否能够可靠运行。

3、然而，在激光器驱动源等重复频率高功率应用场景中，igbt所承受的是重频电流持续作用下的周期性热应力，其失效风险主要来源于连续脉冲引起的热累积，而非单次电应力冲击。此外，在实际工程中，激光器驱动源等系统需在较宽参数范围内运行，不同的参数组合将导致igbt通态损耗、开关损耗及热累积程度显著变化，进而影响其热安全状态。在此类工况持续作用下，若无法获得明确的热安全运行边界，工程人员在调节电流、频率和占空比等关键参数时将缺乏定量依据，可能使igbt在无预警情况下进入热风险区域。现有研究多集中于对单个工况参数组合下的结温预测，难以快速、系统地给出多工况参数组合下的结温预测结果，也并未形成可视化的热安全运行边界，难以为工程调参提供量化依据。

技术实现思路

1、针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种igbt热安全运行边界的预测方法及系统，旨在解决现有方法难以快速、系统地给出不同重频参数组合下的结温预测结果，也难以形成面向工程调参的热安全运行边界的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种igbt热安全运行边界的预测方法，包括：

3、s1、通过有限元仿真获取igbt模块的结-壳瞬态热阻抗曲线；

4、s2、对所述结-壳瞬态热阻抗曲线进行拟合，获得热阻参数和热容参数，并构建所述igbt模块的foster热网络模型；

5、s3、建立所述igbt模块的损耗模型，将所述损耗模型与foster热网络模型级联，并将所述损耗模型输出的总功率损耗作为热网络模型的输入，将所述foster热网络模型输出的结温反馈至所述损耗模型中，构建含温度反馈的电热耦合仿真系统；

6、s4、采用所述电热耦合仿真系统对集电极电流幅值、开关频率和占空比进行参数化扫描，获得不同工况组合下的结温响应图谱，并提取不同工况组合下igbt模块稳态结温峰值等于预设结温极限的临界参数组合，作为igbt热安全运行边界。

7、可选的，所述通过有限元仿真获取igbt模块的结-壳瞬态热阻抗曲线，包括：

8、对所述有限元热模型中的igbt芯片施加阶跃功率激励，获取igbt模块的结温与壳温的瞬态响应，并根据不同时刻的结-壳瞬态热阻抗得到结-壳瞬态热阻抗曲线；其中，结-壳瞬态热阻抗的计算公式为：

9、

10、式中，

t表示时刻，

zthjc(

t)为结-壳瞬态热阻抗，

tj(

t)和

tc(

t)分别为随时间变化的结温与壳温，

p为施加于目标igbt芯片的阶跃功率。

11、可选的，所述foster热网络模型为

n阶rc热网络模型，所述foster热网络模型的瞬态热阻抗表达式为：

12、

13、式中，

t表示时刻，

zth(

t)为foster热网络模型的瞬态热阻抗，

ri和

ci分别为第

i阶的热阻与热容，

i为任意正整数。

14、可选的，所述损耗模型包括通态损耗模型和开关损耗模型；所述损耗模型输出的总损耗为通态损耗与开关损耗之和；

15、所述通态损耗模型的表达式为：

16、

17、式中，

pcond为通态损耗，

vce0(

tj)为随结温变化的门槛电压，

rce(

tj)为随结温变化的导通电阻，

ic为集电极电流幅值，

d为占空比，

tj为结温；

18、所述开关损耗模型的表达式为：

19、

20、其中，

psw为开关损耗，

f为开关频率，

eon(

ic)和

eoff(

ic)分别为集电极电流幅值为

ic时开通、关断一次损失的能量，

vdc为实际直流母线电压，

vcen为数据手册中开通能量和关断能量对应的标称测试电压。

21、可选的，在s3之后，还包括：

22、建立所述igbt模块的多物理场有限元模型；其中，多物理场有限元模型耦合了电流场与固体传热场；

23、在预设重复频率和预设高功率的标准工况下，采用所述多物理场有限元模型仿真结果对所述电热耦合仿真系统的结温预测结果进行对比验证；若验证通过，则执行步骤s4；若验证不同，则对igbt模块的材料参数进行修改，并返回执行s1。

24、可选的，所述预设重复频率和预设高功率的标准工况为：开关频率

f= 500hz，占空比

d= 10%，集电极电流幅值

ic= 100a。

25、可选的，在进行参数化扫描的工况参数包括中，所述开关频率的取值范围为100hz～ 900hz，所述集电极电流幅值的取值范围为50a ～ 300a，所述占空比的取值范围为5%～ 90%。

26、可选的，所述热安全运行边界包括：

27、当开关频率固定时，所述热安全运行边界为占空比和集电极电流幅值二维参数平面中对应所述预设结温极限的临界等温线；

28、当开关频率、占空比和集电极电流幅值均作为变量时，所述热安全运行边界为开关频率、占空比和集电极电流幅值三维参数空间中对应所述预设结温极限的临界等温面。

29、可选的，在得到igbt热安全运行边界之后，还包括：

30、根据所述热安全运行边界将运行工况划分为保守运行区、额定运行区、极限运行区和禁止运行区；其中，所述保守运行区适用于igbt模块的连续稳定工作，并为参数波动留取裕量；所述额定运行区适用于igbt模块在额定工况下工作，需要监测结温，避免电流或占空比超调；所述极限运行区仅适用于igbt模块短时脉冲工作，配合实时结温保护；所述禁止运行区存在热失控风险，禁止在工程中使用。

31、第二方面，本发明还提供了一种igbt热安全运行边界的预测系统，包括：

32、仿真模块，用于通过有限元仿真获取igbt模块的结-壳瞬态热阻抗曲线；

33、foster热网络模型构建模块，用于对所述结-壳瞬态热阻抗曲线进行拟合，获得热阻参数和热容参数，并构建所述igbt模块的foster热网络模型；

34、电热耦合仿真系统构建模块，用于建立所述igbt模块的损耗模型，将所述损耗模型与foster热网络模型级联，并将所述损耗模型输出的总功率损耗作为热网络模型的输入，将所述foster热网络模型输出的结温反馈至所述损耗模型中，构建含温度反馈的电热耦合仿真系统；

35、热安全运行边界确认模块，用于采用所述电热耦合仿真系统对集电极电流幅值、开关频率和占空比进行参数化扫描，获得不同工况组合下的结温响应图谱，并提取不同工况组合下igbt模块稳态结温峰值等于预设结温极限的临界参数组合，作为igbt热安全运行边界。

36、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

37、1、本发明实提供的一种igbt热安全运行边界的预测方法，通过有限元仿真得到igbt模块的瞬态热阻抗曲线，进而构建foster热网络模型，既具有有限元仿真对器件封装热特性的准确表征能力，又利用foster热网络模型显著提高了结温计算效率。通过将损耗模型与foster热网络模型级联，建立了包含损耗模型、热网络模型和温度反馈的电热耦合仿真系统，能够反映igbt损耗与结温之间的相互影响，提高了结温预测的准确性。通过参数化扫描构建出热安全运行边界，适用于激光器驱动源等重复频率高功率工况下igbt的热安全评估、热管理设计和工况参数优化。

38、2、本发明实提供的一种igbt热安全运行边界的预测方法，通过将损耗模型与foster热网络模型级联，并将损耗模型输出的总功率损耗作为热网络模型的输入，将foster热网络模型输出的结温反馈至所述损耗模型中，从而形成闭环电热耦合计算过程。将传统有限元模型数小时级的仿真计算缩短至秒级，适合进行开关频率、占空比和集电极电流幅值的大规模参数化扫描，快速获得宽工况范围内的结温响应图谱，并划分出不同安全等级的运行区域，适用于工程设计阶段的热安全评估。

39、3、本发明实提供的一种igbt热安全运行边界的预测方法，基于得到的igbt结温响应图谱，构建二维或三维热安全运行边界，使igbt安全工作区域和风险工作区域能够直观区分，为激光器驱动源等系统的运行参数设定提供量化依据。