一种考虑散热器的IGBT模块结温计算方法与流程

一种考虑散热器的igbt模块结温计算方法
技术领域
1.本发明涉及igbt结温估计方法，具体为一种考虑散热器的igbt模块结温计算方法。


背景技术：

2.绝缘栅双极晶体管(igbt)模块作为电力电子系统中最常用的功率器件，目前已广泛应用于高速铁路、能源汽车和航空航天工业控制等领域。由于运行工况的复杂性以及长期电热应力的累积作用，igbt模块易产生失效现象。根据研究发现，在各类失效因素中，约55％的模块失效是由温度因素诱发的，因此对igbt结温进行准确估计对于系统的可靠性评估，健康管理以及循环寿命预测是至关重要的。
3.igbt模块中通常包含多个igbt芯片和多个fwd芯片，igbt芯片和fwd芯片的布局以及散热器的结构决定了igbt芯片及fwd芯片上的温度分布有高有低，这种温度不均衡分布决定了各个igbt芯片及fwd芯片上所承受的热应力各不相同。温度高的igbt芯片及fwd芯片所承受的热应力相对来说比较大，往往会最先损坏，损坏后其他芯片所承受的电应力会增加，进而加速igbt模块的失效。所以，监测igbt模块上igbt芯片及fwd芯片的结温最高具有非常重要的意义。
4.igbt芯片和fwd芯片上产生的损耗经igbt模块向散热器传热的过程中，除了垂直方向的热传递，还存在横向的热扩散，这必然引起igbt芯片和fwd芯片上产生的损耗在传热路径中的耦合。光学非接触测量法使用红外热成像仪等测量仪器对igbt结温进行观测；使用红外测量仪器成本高，需对igbt封装模块进行破壳去硅胶处理，对模块具有破坏性，不能满足实时测量需求。热敏感电参数估计法通过实时测取热敏感电参数对igbt结温进行逆向估计，包括小电流饱和压降法、驱动电压降差比法和开关瞬态过程感应电压法；对于热敏感电参数，采集的电信号较微弱，易受电磁干扰，需额外的辅助测试仪器，成本高。有限元模型估计法搭建igbt模块和散热器三维模型，利用有限元仿真方法获取结温；有限元仿真方法，对于复杂结构的igbt模块和冷却系统，三维建模时间长，对于长时间尺度的功耗载荷，需耗费大量的计算时间和成本，仿真效率不高。


技术实现要素：

5.本发明从提高igbt模块结温计算的效率和精度出发，从工程实际应用角度解决了以下方面的问题：(1)构建考虑热耦合作用的改进igbt模块热网络模型；(2)揭示不同工况下igbt芯片损耗与fwd芯片损耗的耦合规律；(3)给出以igbt模块 导热硅脂 散热器结构，通过有限元仿真提取热网络模型参数，实现igbt模块中igbt芯片和fwd芯片的最大结温动态响应计算。
6.本发明是采用如下的技术方案实现的：一种考虑散热器的igbt模块结温计算方法，搭建igbt芯片、fwd芯片最大结温热网络模型，根据该热网络模型，igbt芯片结温t
j_igbt
计算公式如下：
7.t
j_igbt
＝δt
jc_igbt
δt
grease_igbt
δt
plate_igbt
ta，
8.其中，t
j_igbt
：igbt芯片的最大结温；δt
jc_igbt
：结温最高igbt芯片结到壳的温升；δt
grease_igbt
：结温最高igbt芯片对应导热硅脂层温升；δt
plate_igbt
：结温最高igbt芯片对应散热器温升；ta：散热器冷却介质入口温度；
9.fwd芯片结温t
j_fwd
计算公式如下：
10.t
j_fwd
＝δt
jc_fwd
δt
grease_fwd
δt
plate_fwd
ta，
11.其中：t
j_fwd
：fwd芯片的最大结温，δt
jc_fwd
：结温最高fwd芯片结到壳的温升，δt
grease_fwd
：结温最高fwd芯片对应导热硅脂层温升，δt
plate_fwd
：结温最高fwd芯片对应散热器温升。
12.上述的一种考虑散热器的igbt模块结温计算方法，
[0013][0014][0015][0016]
其中，r
igbt
、c
igbt
：以igbt芯片结温最大点温度与其对应垂向壳温温差计算的热阻、热容；
[0017]rgrease_igbt
、c
grease_igbt
：以igbt芯片结温最大点垂向对应导热硅脂层垂向温差计算的热阻、热容；
[0018]rplate_igbt
、c
plate_igbt
：以igbt芯片结温最大点垂向对应散热器表面温度与冷区介质入口温度温差计算的热阻、热容；
[0019]
p
igbt
：igbt芯片损耗功率；
[0020]
p
fwd
：fwd芯片损耗功率；
[0021]
p
′
fwd
：导热硅脂层，fwd芯片损耗耦合到igbt芯片传热路径的部分损耗；
[0022]kfwd
：fwd上产生的损耗在导热硅脂层耦合到igbt传热路径中的系数。
[0023]
上述的一种考虑散热器的igbt模块结温计算方法，
[0024]
[0025][0026][0027]rfwd
、c
fwd
：以fwd芯片结温最大点温度与其对应垂向壳温温差计算的热阻、热容；
[0028]rgrease_fwd
、c
grease_fwd
：以fwd芯片结温最大点垂向对应导热硅脂层垂向温差计算的热阻、热容；
[0029]rplate_fwd
、c
plate_fwd
：以fwd芯片结温最大点垂向对应散热器表面温度与冷区介质入口温度温差计算的热阻、热容；
[0030]
p
′
igbt
：导热硅脂层，igbt芯片损耗耦合到fwd芯片传热路径的部分损耗；
[0031]kigbt
：igbt上产生的损耗在导热硅脂层耦合到fwd传热路径中的系数。
[0032]
上述的一种考虑散热器的igbt模块结温计算方法，按照不同损耗设置，进行稳态仿真，提取导热硅脂层的热阻r
grease_igbt
和r
grease_fwd
及耦合系数k
igbt
和k
fwd
。
[0033]
上述的一种考虑散热器的igbt模块结温计算方法，给定额定损耗输入，进行瞬态仿真，提取不同点的温度，按照热网络模型动态计算公式进行参数r
igbt
和c
igbt
、r
fwd
和c
fwd
、c
grease_igbt
、c
grease_fwd
、r
plate_igbt
和c
plate_igbt
、r
plate_fwd
和c
plate_fwd
辨识。
[0034]
上述的一种考虑散热器的igbt模块结温计算方法，该热网络模型考虑三层结构，igbt模块、导热硅脂、散热器；在igbt模块上，不存在igbt芯片与fwd芯片上产生损耗的耦合；导热硅脂层，igbt芯片与fwd芯片上产生的损耗部分耦合；igbt芯片与fwd芯片上产生的损耗传递到散热器后完全耦合。
[0035]
上述的一种考虑散热器的igbt模块结温计算方法，通过icepak或fluent有限元仿真软件稳态仿真的数据计算耦合相关参数。
[0036]
上述的一种考虑散热器的igbt模块结温计算方法，通过icepak或fluent有限元仿真软件瞬态仿真数据计算热阻热容参数。
[0037]
本发明从工程应用角度出发，针对运行工况大幅变化的大功率变流器igbt模块，通过有限元仿真的结果，获取不同工况下fwd/igbt芯片在导热硅脂层的耦合情况，进而获取其数学表达。综合考虑结温估计的运算资源开销、精度问题，给出考虑不同工况下igbt芯片和fwd芯片损耗耦合情况的热网络数学模型，该数学模型结构简单、计算量小，在工程应用中可实现igbt结温动态变化的更精确实时响应。
附图说明
[0038]
图1为igbt模块热网络模型。
[0039]
图2为动态损耗输入曲线。
[0040]
图3为热网络模型计算的结温曲线。
具体实施方式
[0041]
一、本发明提出如图1所示结构的igbt芯片、fwd芯片最大结温计算热网络模型。该热网络考虑三层结构，igbt模块、导热硅脂、散热器；在igbt模块上，不存在igbt芯片与fwd芯片上产生损耗的耦合；导热硅脂层，igbt芯片与fwd芯片上产生的损耗部分耦合；igbt芯片与fwd芯片上产生的损耗传递到散热器后完全耦合。
[0042]
图1中，损耗输入定义如下：
[0043]
p
igbt
：igbt芯片损耗功率
[0044]
p
fwd
：fwd芯片损耗功率
[0045]
p
′
fwd
：导热硅脂层，fwd芯片损耗耦合到igbt芯片传热路径的部分损耗
[0046]
p
″
fwd
：散热器fwd芯片损耗耦合到igbt芯片的部分，存在p
fwd
＝p
′
fwd
p
″
fwd
[0047]
p
′
igbt
：导热硅脂层，igbt芯片损耗耦合到fwd芯片传热路径的部分损耗
[0048]
p
″
igbt
：散热器igbt芯片损耗耦合到fwd芯片的部分，存在p
igbt
＝p
′
igbt
p
″
igbt
图1中，各热阻热容参数定义如下：
[0049]rigbt
、c
igbt
：以igbt芯片结温最大点温度与其对应垂向壳温温差计算的热阻热容；
[0050]rgrease_igbt
、c
grease_igbt
：以igbt芯片结温最大点垂向对应导热硅脂层垂向温差计算的热阻热容；
[0051]rplate_igbt
、c
plate_igbt
：以igbt芯片结温最大点垂向对应散热器表面温度与冷区介质入口温度温差计算的热阻热容；
[0052]rfwd
、c
fwd
：以fwd芯片结温最大点温度与其对应垂向壳温温差计算的热阻热容；
[0053]rgrease_fwd
、c
grease_fwd
：以fwd芯片结温最大点垂向对应导热硅脂层垂向温差计算的热阻热容；
[0054]rplate_fwd
、c
plate_fwd
：以fwd芯片结温最大点垂向对应散热器表面温度与冷区介质入口温度温差计算的热阻热容。
[0055]
根据上述热网络模型，igbt模块芯片结温tj的计算由以下关系式进行确定。
[0056]
y＝f(
△
t
jc
,
△
t
grease
,
△
t
plate
,ta)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0057]
对于igbt芯片结温t
j_igbt
计算，具体公式如下：
[0058]
t
j_igbt
＝δt
jc_igbt
δt
grease_igbt
δt
plate_igbt
taꢀꢀꢀ
(2)
[0059]
其中：
[0060]
t
j_igbt
：igbt芯片的最大结温
[0061]
δt
jc_igbt
：结温最高igbt芯片结到壳的温升
[0062]
δt
grease_igbt
：结温最高igbt芯片对应导热硅脂层温升
[0063]
δt
plate_igbt
：结温最高igbt芯片对应散热器温升
[0064]
ta：散热器冷却介质入口温度
[0065]
[0066][0067][0068]
对于fwd芯片结温t
j_fwd
计算，具体公式如下：
[0069]
t
j_fwd
＝δt
jc_fwd
δt
grease_fwd
δt
plate_fwd
taꢀꢀꢀ
(6)
[0070]
其中：
[0071]
t
j_fwd
：fwd芯片的最大结温
[0072]
δt
jc_fwd
：结温最高fwd芯片结到壳的温升
[0073]
δt
grease_fwd
：结温最高fwd芯片对应导热硅脂层温升
[0074]
δt
plate_fwd
：结温最高fwd芯片对应散热器温升
[0075]
ta：散热器冷却介质入口温度
[0076][0077][0078][0079]
二、获取不同工况下导热硅脂层的耦合规律。
[0080]
建立含散热器结构的igbt模块多层结构详细有限元模型。在工程应用中，igbt芯片和fwd芯片的损耗通常有两种因素引起，一是负载电流大幅波动，二是调试方式变化。负载电流大幅变化通常引起igbt芯片和fwd芯片的损耗增减，调制方式变化会引起igbt芯片和fwd芯片的损耗分配比例变化。因此，对于负载及调制方式等工况变化引起的损耗变化，梳理为如下的有限元仿真损耗给定方式：
[0081]
igbt损耗给定p
igbt_g
：额定p
igbt_e
、0.8p
igbt_e
、0.6p
igbt_e
、0.4p
igbt_e
、0.2p
igbt_e
[0082]
fwd损耗给定p
fwd_g
：0.05p
igbt_g
、0.1p
igbt_g
、0.2p
igbt_g
、0.4p
igbt_g
、0.6p
igbt_g
、0.8p
igbt_g
、p
igbt_g
。
[0083]
其中，p
igbt_e
为igbt的额定损耗，对每一个igbt给定损耗，选定不同比例的fwd损耗，来模拟igbt与fwd在所有工况范围内损耗的量值变化与比例变化。
[0084]
对于上述igbt和fwd各种组合的损耗给定，通过icepak或fluent等有限元仿真软件分别进行稳态仿真计算，获取igbt芯片和fwd芯片结温最大点垂直方向上导热硅脂层对应的温差
△
t
grease_igbt
和
△
t
grease_fwd
。
[0085]
以p
igbt
、p
fwd
损耗及
△
t
grease_igbt
和
△
t
grease_fwd
为已知，以式(10)和式(11)为考虑耦合的稳态结温计算关系式，采用最小二乘法分别辨识igbt和fwd芯片在导热硅脂层的耦合系数k
igbt
和k
fwd
及热阻r
grease_igbt
和r
grease_fwd
。
[0086][0087][0088]
三、热网络模型参数获取
[0089]
第二步完成了导热硅脂耦合层稳态参数热阻的计算，本步骤说明其他参数的提取.
[0090]
建立含散热器结构的igbt模块多层结构详细有限元模型，设置igbt芯片和fwd芯片损耗为额定，通过icepak或fluent等有限元仿真软件进行瞬态仿真计算，获取igbt芯片和fwd芯片结温最大点垂直方向上导热硅脂层对应的温差
△
t
jc_igbt
和
△
t
jc_fwd
，
△
t
grease_igbt
和
△
t
grease_fwd
，
△
t
plate_igbt
和
△
t
plate_fwd
时序序列，分别采用式(3)、(7)、(4)、(8)、(5)、(9)进行参数辨识，获取r
igbt
和c
igbt
、r
fwd
和c
fwd
、c
grease_igbt
、c
grease_fwd
、r
plate_igbt
和c
plate_igbt
、r
plate_fwd
和c
plate_fwd
。
[0091]
实施例1
[0092]
(1)在ansys中搭建igbt模块 导热硅脂 水冷基板模型；
[0093]
(2)按照不同损耗设置，进行稳态仿真，提取导热硅脂层的热阻及耦合系数；
[0094]
(3)给定额定损耗输入，进行瞬态仿真，提取不同点的温度，按照热网络模型动态计算公式进行参数辨识；
[0095]
(4)搭建如图1所示的热网络模型，设置(2)、(3)步中获取的参数，给定损耗如图2所示，计算igbt和fwd的结温如图3所示。