一种IGBT模块的电-热-老化结温计算模型建立方法技术

本发明专利技术涉及一种IGBT模块的电‑热‑老化结温计算模型建立方法，其主要技术特点是：测取不同老化程度时IGBT模块的电热参数、获取三维关系曲面并建立不同老化程度时电热参数数据表；建立IGBT模块的电模型、IGBT模块的热网络模型，并将IGBT模块的电模型计算所得功率损耗以电流源形式通入IGBT模块的热网络模型，并将热网络模型计算的结温实时反馈至电模型，完成IGBT模块的电‑热耦合模型的建立；对IGBT模块进行老化状态评估；进行IGBT模块的结温计算。本发明专利技术针对不同的老化进程获取对应的电热参数，并将这些电热参数代入电‑热耦合模型中进行结温计算，即根据模块的老化程度实时动态改变电‑热耦合模型参数，从而实现考虑模块老化程度的结温预测功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力电子器件
，尤其是一种IGBT模块的电-热-老化结温计算模型建立方法。
技术介绍
IGBT功率模块广泛应用于轨道交通、智能电网、电动汽车与新能源等各个领域。IGBT功率模块的结温是功率变流器能否可靠稳定运行的一项很重要的特征参数，结温的波动情况将直接影响到功率变流器的工作性能和可靠性，长期的结温波动会造成器件的老化乃至失效。IGBT的失效主要以与封装相关的失效为主，由于IGBT模块各层材料的热膨胀系数不同，结温波动引起的交变热应力会导致铝键合引线脱落、焊料层开裂和铝金属重构等，从而影响整个系统的稳定性和可靠性。因此研究结温对于IGBT的寿命预测以及分析其失效机理具有非常重要的意义。目前IGBT的结温获取方法主要有实验测量方法、迭代数值计算方法和仿真分析方法。实验测量方法主要包括热传感器法、红外探测法和电参数法。热传感器法主要是利用热敏元件如热电阻或热电偶等随温度变化的特性来测量温度；红外探测法是利用红外测温设备来测量IGBT的结温；电参数法主要利用与IGBT结温相关的电学特性来间接测量结温。热传感器法和红外探测法是直接测量方法，操作简单，测量精度较高，但仅适用于对未塑封IGBT结温的测量，其中热传感器法需要将热敏元件直接与IGBT芯片接触，不仅会带来一定接触应力，而且响应速度慢，不能实时测温；红外探测法虽然可以获得整个芯片表面的温度分布及铝键合引线温度的动态变化过程，但测量设备必须为高速红外设备，价格昂贵。电参数法是间接测量方法，适用于已塑封的IGBT的测温，可实现温度的在线测量，但该方法是对IGBT结温的粗略估算，测量精度低。迭代数值计算方法根据电-热比拟原理建立IGBT模块工作的电路图，然后基于数学理论知识和IGBT工作过程对其结温进行迭代计算，当精度满足要求时停止迭代。对于结温计算精度要求高的场合，迭代数值计算方法需要迭代的次数较多，计算比较复杂，而且该方法为离线计算结温，属于对结温的估算，精度较低。仿真分析方法主要根据其电特性和传热特性建立电-热耦合模型，能够预测IGBT的瞬态和稳态结温。IGBT模块的结温最大值通常大于其结温均值，在高频、大功率、高温等严苛工况下，IGBT模块很可能因结温最大值超过临界温度而损坏，所以仿真分析方法对IGBT模块的瞬态结温预测能够为提高电力电子系统的可靠度提供技术参考，因而应用较为广泛，但目前IGBT结温仿真分析方法未能考虑模块老化对电热参数产生的影响，这使得电-热耦合模型的结温预测结果不准确。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、精度高且预测结果准确的IGBT模块的电-热-老化结温计算模型建立方法。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种IGBT模块的电-热-老化结温计算模型建立方法，包括以下步骤：步骤1、测取不同老化程度时IGBT模块的电热参数、获取三维关系曲面Vce＝f(Tj,Ic)并建立不同老化程度时电热参数数据表，其中，Tj为结温，Ic为集电极电流；步骤2、建立IGBT模块的电模型、IGBT模块的热网络模型，并将IGBT模块的电模型计算所得功率损耗以电流源形式通入IGBT模块的热网络模型，并将热网络模型计算的结温实时反馈至电模型，从而完成IGBT模块的电-热耦合模型的建立；步骤3：对IGBT模块进行老化状态评估；步骤4：进行IGBT模块的结温计算。所述步骤1测取不同老化程度时IGBT模块的电热参数具体方法为：对IGBT模块进行ΔTc功率循环加速老化试验，并定义IGBT模块失效标准为其热阻相对于初始值增大20％，当测得的IGBT模块热阻增大20％时停止老化试验；在功率循环加速老化试验进程中，每功率循环100次时测取一次IGBT模块的开通能耗Eon、关断能耗Eoff、瞬态热阻抗曲线以及三维关系曲面Vce＝f(Tj,Ic)，其中IGBT模块的开通能耗Eon和关断能耗Eoff采用IGBT参数测试系统进行测取；瞬态热阻抗采用IGBT模块热阻测试仪进行测取。所述步骤1获取三维关系曲面Vce＝f(Tj,Ic)的具体方法为：将IGBT模块放入恒温箱并以一定间隔值设置恒温箱的温度，在不同温度下达到热平衡后，给IGBT模块通以幅值以一定间隔值变化的单脉冲触发电流进行单脉冲测试，测取不同结温和集电极电流下IGBT模块的通态压降并记录，最后基于MATLAB处理测取的结温、集电极电流和通态压降数据，画出Vce＝f(Tj,Ic)三维关系曲面。所述步骤1建立不同老化程度时电热参数数据表的方法为：通过对IGBT模块不同老化程度时的瞬态热阻抗曲线进行拟合得出其热阻、热容参数，然后将不同老化程度时IGBT模块的开通能耗Eon、关断能耗Eoff、热阻、热容以及三维关系曲面Vce＝f(Tj,Ic)存储在不同老化程度时电热参数数据表；所述瞬态热阻抗曲线表示为：式中，Zth、Ri和Ci分别为IGBT模块的等效热阻抗、热阻和热容；n为拟合阶数，n取4。所述步骤2中IGBT模块的电模型建立方法为：将开关周期内IGBT模块的平均通态损耗Pc设为：Pc＝Vce·ic·δ(t)式中，Vce为IGBT模块的通态压降；ic为IGBT模块的集电极电流；δ(t)为IGBT模块的占空比；对IGBT模块的输出特性曲线进行近似线性拟合，Vce近似表示为：Vce＝Vceo+ic·rce式中，Vceo为IGBT模块的阈值压降；rce为IGBT模块的导通电阻；Vceo与rce均随温度呈线性变化趋势，分别近似表示为：式中，Vceo_298.15K和rce_298.15K分别为298.15K时IGBT模块的阈值压降和导通电阻；Tj为IGBT模块的结温；分别为温度-阈值压降和温度-导通电阻线性拟合曲线的斜率；将开关周期内IGBT模块的平均通态损耗Pc设为：一个开关周期内IGBT模块的平均开通损耗Pon与平均关断损耗Poff表示为：其中，Eon与Eoff分别为IGBT模块测试条件下的开通能耗与关断能耗，通过器件技术手册中查表获取；Udc为IGBT模块直流电压；UN和IN分别为IGBT模块开关能耗在测试条件下的直流电压和通态电流，均从IGBT技术手册获取；与分别为IGBT栅极电阻Rg对其开通能耗与关断能耗的影响系数，根据器件技术手册中的EonEoff-Rg曲线获取；为IGBT开关能耗的温度系数，一般根据经验取值；IGBT开关周期内平均功率损耗PI为平均通态损耗Pc、平均开通损耗Pon与平均关断损耗Poff之和，得到IGBT模块的电模型如下：PI＝PI_c+PI_on+PI_off所述步骤2中IGBT模块的热网络模型的建立方法为：对IGBT模块建立四阶RC热网络，将导热脂加散热器作为整体建立一阶RC热网络；IGBT模块的导热脂加散热器的RC参数通过下式获取：式中，Zth、Ri和Ci分别为IGBT模块的等效热阻抗、热阻和热容；n为拟合阶数，n取4；导热脂加散热器的热阻抗曲线通过试验测量获取，具体方法为：给IGBT模块通入恒定电流，IGBT模块将产生恒定功率p，从通入电流开始实时测量IGBT模块的壳温Tc和环境温度Ta，导热脂加散热器的热阻抗Zth,ca近似表示为：Zth,ca＝(Tc-Ta)/p。所述步骤3对IGBT模块进行老化状态评估的方法为：在结温Tj1与集电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种IGBT模块的电‑热‑老化结温计算模型建立方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、测取不同老化程度时IGBT模块的电热参数、获取三维关系曲面Vce＝f(Tj,Ic)并建立不同老化程度时电热参数数据表，其中，Tj为结温，Ic为集电极电流；步骤2、建立IGBT模块的电模型、IGBT模块的热网络模型，并将IGBT模块的电模型计算所得功率损耗以电流源形式通入IGBT模块的热网络模型，并将热网络模型计算的结温实时反馈至电模型，从而完成IGBT模块的电‑热耦合模型的建立；步骤3：对IGBT模块进行老化状态评估；步骤4：进行IGBT模块的结温计算。

【技术特征摘要】
1.一种IGBT模块的电-热-老化结温计算模型建立方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、测取不同老化程度时IGBT模块的电热参数、获取三维关系曲面Vce＝f(Tj,Ic)并建立不同老化程度时电热参数数据表，其中，Tj为结温，Ic为集电极电流；步骤2、建立IGBT模块的电模型、IGBT模块的热网络模型，并将IGBT模块的电模型计算所得功率损耗以电流源形式通入IGBT模块的热网络模型，并将热网络模型计算的结温实时反馈至电模型，从而完成IGBT模块的电-热耦合模型的建立；步骤3：对IGBT模块进行老化状态评估；步骤4：进行IGBT模块的结温计算。2.根据权利要求1所述的一种IGBT模块的电-热-老化结温计算模型建立方法，其特征在于：所述步骤1测取不同老化程度时IGBT模块的电热参数具体方法为：对IGBT模块进行ΔTc功率循环加速老化试验，并定义IGBT模块失效标准为其热阻相对于初始值增大20％，当测得的IGBT模块热阻增大20％时停止老化试验；在功率循环加速老化试验进程中，每功率循环100次时测取一次IGBT模块的开通能耗Eon、关断能耗Eoff、瞬态热阻抗曲线以及三维关系曲面Vce＝f(Tj,Ic)，其中IGBT模块的开通能耗Eon和关断能耗Eoff采用IGBT参数测试系统进行测取；瞬态热阻抗采用IGBT模块热阻测试仪进行测取。3.根据权利要求1所述的一种IGBT模块的电-热-老化结温计算模型建立方法，其特征在于：所述步骤1获取三维关系曲面Vce＝f(Tj,Ic)的具体方法为：将IGBT模块放入恒温箱并以一定间隔值设置恒温箱的温度，在不同温度下达到热平衡后，给IGBT模块通以幅值以一定间隔值变化的单脉冲触发电流进行单脉冲测试，测取不同结温和集电极电流下IGBT模块的通态压降并记录，最后基于MATLAB处理测取的结温、集电极电流和通态压降数据，画出Vce＝f(Tj,Ic)三维关系曲面。4.根据权利要求1所述的一种IGBT模块的电-热-老化结温计算模型建立方法，其特征在于：所述步骤1建立不同老化程度时电热参数数据表的方法为：通过对IGBT模块不同老化程度时的瞬态热阻抗曲线进行拟合得出其热阻、热容参数，然后将不同老化程度时IGBT模块的开通能耗Eon、关断能耗Eoff、热阻、热容以及三维关系曲面Vce＝f(Tj,Ic)存储在不同老化程度时电热参数数据表；所述瞬态热阻抗曲线表示为：Zth=Σi=1nRi·(1-e-t/Ri·Ci)]]>式中，Zth、Ri和Ci分别为IGBT模块的等效热阻抗、热阻和热容；n为拟合阶数，n取4。5.根据权利要求1所述的一种IGBT模块的电-热-老化结温计算模型建立方法，其特征在于：所述步骤2中IGBT模块的电模型建立方法为：将开关周期内IGBT模块的平均通态损耗Pc设为：Pc＝Vce·ic·δ(t)式中，Vce为IGBT模块的通态压降；ic为IGBT模块的集电极电流；δ(t)为IGBT模块的占空比；对IGBT模块的输出特性曲线进行近似线性拟合，Vce近似表示为：Vce＝Vceo+ic·rce式中，Vceo为IGBT模块的阈值压降；rce为IGBT模块的导通电阻；Vceo与rce均随温度呈线性变化趋势，分别近似表示为：Vceo=Vceo_298.15K+KVceo(Tj-298.15)]]>rce=rce_298.15K+Krce(Tj-298.15)]]>式中，Vceo_298.15K和rce_29...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玲玲，许亚惠，李志刚，齐福东，刘伯颖，周亚同，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12