一種考慮熱耦合的壓接IGBT模塊穩態結溫預測模型的製作方法

2023-06-13 10:09:06

本發明屬於電力電子技術領域，尤其涉及一種考慮熱耦合的壓接IGBT模塊穩態結溫預測模型。

背景技術：

基於絕緣柵雙極型電晶體IGBT的電壓源換流器已在直流輸電系統中得到廣泛應用。作為直流輸電系統中能量轉換的關鍵設備，電壓源換流器是影響其運行安全性和可靠性的重要環節。IGBT模塊的結溫一方面結溫影響器件的特性及壽命，另一方面模塊內部的熱均衡對提高其使用容量和效率有重要意義。然而，其結溫卻很難通過實驗手段直接測量。一種普遍認可的方法是建立其等效熱路模型，與電氣系統實現快速的電熱聯合仿真以預測不同工況下晶片結溫。

相對傳統焊接IGBT，壓接型IGBT模塊由於其雙面散熱、短路失效、高可靠性等優良特性，對更大容量的柔直換流器有著良好的應用前景。但同時採用多晶片緊湊布置使模塊內晶片間相互的發熱影響比焊接IGBT已成為一個不容忽略的問題，雙面散熱的特點使得IGBT模塊至散熱器的散熱路徑更為複雜，散熱器流量等參數對IGBT等效熱模型參數的影響也成為了新的問題。而傳統應用廠家數據手冊IGBT或Diode晶片相互獨立測試的穩態熱阻或瞬態熱阻抗曲線建立的等效熱路模型不能反映二極體與IGBT晶片間的發熱影響，結溫估值偏低；傳統基於有限元仿真溫度場分析提取等效熱路模型的方法沒有考慮散熱器影響，結溫誤差較大，且不能反映實際工程中散熱條件的改變。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提出了一種考慮熱耦合的壓接IGBT模塊穩態結溫預測模型，其特徵在於，包括：

步驟一：獲取壓接型IGBT模塊及其散熱器的物理結構及材料參數，包括IGBT模塊內部各材料層尺寸、材料導熱係數λ、材料比熱容Cp、材料密度ρ及廠家數據手冊的瞬態熱阻抗曲線，散熱器流道結構、冷卻媒質的物理特性；

步驟二：基於有限元仿真軟體建立IGBT模塊、散熱器的三維仿真模型；

步驟三：獲取考慮熱耦合的等效熱阻抗矩陣及其參數，包括熱耦合等效熱阻矩陣RETC形式及其結溫計算矩陣式，自熱阻Rii、互熱阻Rij定義式，溫度參考點選取，熱源逐一獨立作用獲取矩陣元素的方法；

步驟四：計算熱耦合等效熱阻矩陣參數，包括固有熱阻矩陣R0與附加熱阻矩陣RQ；

步驟五：基於熱耦合等效熱阻矩陣RETC等效變換及晶片功比-結溫曲線建立等效熱阻網絡模型。

壓接IGBT模塊與散熱器的系統結溫由下式得到：

其中，Ti為晶片i的結溫，Pi為晶片i的功率損耗，i＝1,2,…,n，n為晶片的總數量，Tref為參考點溫度,熱耦合等效電路對應的熱阻矩陣i≠j時，Rij為晶片i的自熱阻Rii和晶片i與晶片j的耦合熱阻即互熱阻，j＝1,2,…,n，Tj為晶片j的結溫，Pj為晶片j的功率損耗；i＝j時，Rij即Rii為晶片i的自熱阻，計算得到矩陣R全部元素。

所述熱耦合等效熱阻陣RETC為一個不隨散熱器流量變化的固有熱阻矩陣R0與一個由散熱器流量決定的附加熱阻矩陣RQ之和：

RETC＝R0+RQ

對流換熱熱阻Rconv與流量Q關係滿足Rconv∝Q-0.747，則附加熱阻矩陣RQ與流量Q的關係為RQ＝RQ0·Q-0.747；

其中，R0、RQ0均為恆定矩陣，僅與IGBT和散熱器的固體材料和幾何結構有關，由任意兩個流量下RETC對矩各元素以Q-0.747為變量進行線性擬合，分別將一次項係數和常數項作為附加熱阻矩陣的係數矩陣RQ0和固有熱阻矩陣R0的對應元素得到。

所述基於熱耦合等效熱阻矩陣RETC等效變換及晶片功比-結溫曲線建立等效熱阻網絡模型的過程為

設共有m個二極體晶片和n-m個IGBT晶片，n為晶片的總數量，則在晶片按類型編號後將結溫計算矩陣式重排分塊，將RETC化為n×2階矩陣其中R0_i′j′為R0中的第i′行第j′列的元素；RQ0_i′j′為RQ0中的第i′行第j′列的元素；

則PD為二極體晶片的總功率損耗；PT為IGBT晶片的總功率損耗；

結合由矩陣得到的晶片功比-結溫曲線，得出不同功比下同類晶片中最大結溫對應的晶片，設最高結溫IGBT晶片為晶片k，最高結溫二極體晶片為晶片h，n×2矩陣進一步化為最簡等效熱阻矩陣R2×2，並對應得到等效熱阻網絡模型為：

其中,RkD為所有二極體晶片對最高結溫的二極體的總熱阻；RkT為所有IGBT晶片對最高結溫的二極體的總熱阻；RhD為所有二極體晶片對最高結溫的IGBT的總熱阻；RhT為所有IGBT晶片對最高結溫的IGBT的總熱阻；TD表示最高結溫的Diode晶片、TT表示最高結溫的IGBT晶片。

有益效果

本發明公開的一種考慮熱耦合的參數自適應的大功率壓接IGBT模塊的穩態結溫預測模型及其參數提取方法。針對高功率密度壓接IGBT模塊內晶片發熱相互影響不可忽略的問題及其雙面散熱特性，基於三維模型的溫度場分析和基本電路理論，給出了建立壓接IGBT模塊考慮熱耦合及散熱器的穩態等效熱阻網絡的方法，以用於晶片結溫的預測。其模型參數根據不同散熱條件進行修正，對不同工況和散熱器流量具有普遍適用性，且利用模型對應的等效熱耦合矩陣元素可定量分析熱耦合影響因素，為改進等效熱RC網絡模型、及IGBT功率模塊、散熱器的優化設計提供相關依據，同時為壓接IGBT器件廠家提供給用戶的模型參數一個新的思路。

附圖說明

圖1為本發明的流程圖；

圖2為某IGBT模塊與其配套散熱器結構示意圖；

圖3為有限元模型瞬態熱阻抗曲線與數據手冊結果對比(IGBT晶片)；

圖4為等效熱阻矩陣元素隨流量變化；

圖5為不同IGBT、二極體晶片功率損耗比下結溫分布；

圖6為改進等效熱阻矩陣對應熱阻網絡的簡化模型。

圖7a為晶片間自互熱阻隨凸臺高度變化圖，圖7b為熱耦合度隨凸臺高度變化圖；

圖8為研究晶片布局的仿真模型俯視圖；

圖9a為晶片間自互熱阻隨晶片間距變化圖，圖9b為晶片2對1的熱耦合度隨晶片間距變化圖；

圖10a為晶片間自、互熱阻隨晶片位置變化圖，圖10b為晶片2對1的熱耦合度隨晶片位置變化圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明作詳細說明。本發明提出了一種考慮熱耦合的壓接IGBT模塊穩態結溫預測模型。圖1為本發明所述方法的流程框圖，具體實施步驟如下：

步驟一：獲取壓接型IGBT模塊及其散熱器的物理結構及材料參數，如表1與圖2所示；

表1 IGBT模塊T0360NB25A材料參數

步驟二：基於有限元仿真軟體，建立IGBT模塊三維仿真模型，並進一步得到IGBT模塊與散熱器的三維整體仿真模型；

對模型做以下簡化：1)陶瓷管殼導熱率較小且模塊內一般充有惰性氣體，可認為各材料層側面絕熱，熱量僅通過基板向外傳遞；2)晶片、上下鉬片和陰、陽電極之間都是通過壓力直接連接，模塊的內部熱阻除了各層材料的熱阻之外還包括各部件之間的接觸熱阻，本模型以晶片兩側的等效接觸熱阻層來模擬該接觸熱阻的作用，材料參數通過實驗曲線分析得出。確定合適的接觸熱阻層材料後對比，有限元仿真模型得到的瞬態熱阻抗曲線與廠家的測量曲線以確定模型的準確性，如圖3所示。瞬態熱阻抗Zj-c定義式，

其中每一時刻Tj取幾個IGBT(或二極體)晶片結溫中的最大值，Tc為殼溫最大值，P為幾個IGBT(或二極體)晶片總損耗。

在上述IGBT模型的基礎上，使水冷散熱器上下表面與IGBT上下基板直接連接，建立模塊、散熱器的整體仿真模型。以某MMC-HVDC系統整流工況下某子模塊為例，設置模塊內每隻二極體晶片功率損耗為65W，每隻IGBT晶片功率損耗為2W，分別在IGBT晶片或二極體晶片上施加相應階躍熱功率，入水口為定流速、溫度控制，水流量為2L/min，入水口水溫70℃，出水口為定壓力控制，冷卻水與散熱器固體以能量守恆為約束條件建立固-液耦合。

步驟三：獲取考慮熱耦合的等效熱阻抗矩陣及其參數的一般性方法；

以有限元溫度場仿真結果為依據，分別以7個晶片為熱源單獨作用，以散熱器入水口為溫度參考點，按照自熱阻、互熱阻定義式，整體提取IGBT模塊和散熱器的熱耦合等效熱阻矩陣[R]ETC。然後可根據矩陣[R]ETC和各晶片實際功率損耗[P]，根據矩陣計算式得到特定散熱器流量下的各晶片結溫。

其中，Ti為晶片i的結溫，Pi為晶片i的功率損耗，i＝1,2,…,n，n為晶片的總數量，Tref為參考點溫度,熱耦合等效電路對應的熱阻矩陣

i≠j時，Rij為晶片i的自熱阻Rii和晶片i與晶片j的耦合熱阻即互熱阻，j＝1,2,…,n，Tj為晶片j的結溫，Pj為晶片j的功率損耗；i＝j時，Rij即Rii為晶片i的自熱阻，計算得到矩陣R全部元素；

步驟四：改進的熱耦合等效熱阻矩陣參數獲取，包括固有熱阻矩陣[R0]與附加熱阻矩陣[RQ]；

在步驟三的基礎上仿真得到任意兩個流量下的等效熱耦合陣RETC，對矩各元素以Q-0.747為變量進行線性擬合，分別將一次項係數和常數項作為附加熱阻矩陣RQ0和固有熱阻矩陣R0的對應元素最終得到參數隨流量自適應的改進的熱耦合等效熱阻矩陣，根據矩陣計算式得到特定散熱器流量下的各晶片結溫。

RETC＝R0+RQ

表2對比了不同方法計算該實例中模塊內晶片結溫的結果，已說明本發明的優越性。

表2 不同等效模型計算晶片結溫溫升對比(℃)

註：誤差為各算法計算結溫溫升值與有限元仿真結溫溫升值的誤差

步驟五：建立等效熱阻網絡，基於熱耦合等效熱阻矩陣[R]ETC等效變換及晶片功比-結溫曲線；

分析壓接IGBT模塊的特點，可知同類晶片(IGBT或二極體晶片)的驅動信號相同，不考慮由雜散參數引起的晶片均流問題，則同類晶片的功率損耗相同。在晶片按類型編號後，可重排分塊矩陣得到下式，

因為P1＝P2＝PD、P3＝…＝P7＝PT，可將R11—R12、R13—R17合併為R1D、R1T，其他參數同理可得。則等效熱阻矩陣可化為7×2的矩陣，得到下式，

根據圖5給出了總損耗一定，不同功率損耗比下各芯結溫變化。可以得出不同功比時最大結溫對應的晶片。如當PIGBT小於PDiode時，最大結溫對應晶片為T5和D2，則7×2矩陣可進一步化為[R]IGBT-h_2×2。

[R]IGBT-h_2×2對應等效熱阻網絡模型見圖6。

基於熱耦合等效熱阻矩陣[R]ETC的熱耦合影響因素分析。

熱耦合等效模型不僅可預測晶片結溫，其對應矩陣元素還可以用於熱耦合定性分析。熱耦合度Thcouple(％)_j-i表徵了對晶片i，以自身發熱引起的溫升為基準，晶片j熱功率對其造成的溫升大小；

其中，Rij·、Rii·分別為等效熱耦合陣的互熱阻和自熱阻，Pi、Pj為晶片j、i的功率損耗。除相應影響因素為單一變量外，晶片的功率比默認為1。

對壓接IGBT模塊封裝結構影響的分析、晶片功率損耗比的影響、水冷散熱器流量影響等因素。

(1)凸臺高度的影響

以凸臺高度為單一變量更改三維仿真模型幾何參數，使其在4.2mm至12.6mm範圍變化。以晶片1、晶片2為例分析凸臺高度對晶片間熱耦合作用的影響如圖7所示。圖7a為晶片間自互熱阻隨凸臺高度變化，圖7b為熱耦合度隨凸臺高度變化，晶片1的自熱阻、晶片2對1的互熱阻及熱耦合度均隨著凸臺高度的增加而呈近似線性增加。這說明，1)凸臺高度的增加使模塊內熱阻整體增加，不利於模塊內熱量的散失；2)凸臺高度越高晶片間熱耦合程度越大，即其他晶片對本晶片的熱影響越顯著，在各晶片自熱阻存在差異的情況下可利用該特性做熱的均衡設計；3)由於互熱阻所佔比例的增大，單位距離凸臺高度的增加會使總熱阻增量變大。因此，在保證足夠外絕緣的基礎上應儘量減小凸臺的設計高度。

(2)晶片布置影響

圖8為研究晶片布局的仿真模型俯視圖，為了研究晶片布局對熱耦合影響，僅保留仿真模型晶片1、2對應的凸臺及其他材料層。將晶片2置於基板中心，沿軸向移動晶片1以改變兩晶片間距d(變化範圍13.5mm-18.5mm)，保持晶片中心距14mm，將兩晶片整體沿軸向平移距離L(變化範圍0mm-12mm)，以研究布置位置對晶片間熱耦合的影響。

圖9a為晶片間自互熱阻隨晶片間距變化圖，圖9b為晶片2對1的熱耦合度隨晶片間距變化圖，隨著晶片間距的增加，晶片2對1的互熱阻及熱耦合度呈減小趨勢，但變化幅度較小。這說明晶片間距對模塊內熱阻和晶片間熱耦合程度的的影響較小，而實際設計中為控制模塊的體積晶片間距變化範圍既有限，因此可忽略該因素的影響。圖10a為晶片間自、互熱阻隨晶片位置變化圖，圖10b為晶片2對1的熱耦合度隨晶片位置變化圖，隨著晶片從基板中心位置向邊緣偏移，晶片的自熱阻、晶片2對1的互熱阻均隨之增加，晶片2對1的熱耦合度基本不變。這說明越邊緣的晶片熱阻越大，但相對位置一定的兩晶片，一晶片對另一晶片溫升的貢獻程度僅取決於其功率比。