一种基于工况的IGBT模块电-热-流体多场耦合仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于工况的IGBT模块电

【技术实现步骤摘要】
一种基于工况的IGBT模块电
‑
热
‑
流体多场耦合仿真方法


[0001]本专利技术涉及功率半导体模块领域，具体涉及一种基于工况的IGBT模块电
‑
热
‑
流体多场耦合仿真方法。

技术介绍

[0002]绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为电能转换的“CPU”，在大功率变换器应用中得到越来越广泛的应用，例如风力涡轮机，铁路牵引逆变器和高压直流输电系统中。随着系统功率等级的提升，对电力电子器件的安全性提出了更高的要求。器件内部的温度分布是影响功率半导体器件安全运行的关键参数，过高的结温会使得器件损耗上升，发生热崩溃的风险加剧，严重的会导致器件烧毁。在工程中，设计者往往采用更大容量的器件以提供足够的安全裕量，造成了不必要的成本浪费。因此，在设计中对器件结温进行准确的计算，对保证系统的安全运行和成本控制有着重要的意义。
[0003]然而，基于实际工况准确计算结温的难度很大：一方面，器件的损耗与结温具有很强的耦合关系；另一方面，器件的温度分布受散热系统中流体的对流传热影响。因此，单一物理场很难反映器件温度变化的机理，需要考虑模块内部的多物理场耦合效应。
[0004]目前的技术存在以下缺陷：
[0005]1)现有技术多只考虑单一物理场或某几个物理场对IGBT模块温度的影响。例如应用热—流体耦合仿真对散热器的结构进行优化设计；或应用热场仿真分析模块各层结构的热阻分布。
[0006]2)现在技术多针对理想的变换器工况：如在热仿真采用理想的等效换热系数，忽略流体传热的不均匀性；在损耗仿真中采用理想的电路参数，忽略寄生参数、控制策略等实际参数的影响。
[0007]3)现在技术多针对整体模块，未考虑模块内部多芯片间的损耗及传热的不均匀性。现有平均化的损耗模型使得结温的仿真结果偏低，不利于器件的安全应用。
[0008]4)现在技术多只应用单一时间尺度进行仿真。而不同物理场的时间尺度差异很大：如器件的损耗随着器件的开关周期变化；由于封装材料的热容效应，器件内部的温度不会随着损耗一同剧烈变化；相比较之下，流体流动交换热量的时间尺度更长。采用统一的时间尺度仿真会带来一系列问题：时间尺度过小会造成计算量剧增，严重提高计算成本；时间尺度过大则会忽略细节，无法准确仿真出器件的温度变化。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提供一种基于工况的IGBT模块电
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热
‑
流体多场耦合仿真方法，以解决现有技术存在的问题，本专利技术能够准确仿真出模块在不同工况下的瞬态结温变化，本专利技术方法充分考虑了不同物理场应力变化的时间尺度，能够在保证计算精度的同时有效地提高仿真效率，为电力电子系统的热设计提供有力的支持。
[0010]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0011]一种基于工况的IGBT模块电
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热
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流体多场耦合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤；
[0012]步骤一：建立IGBT模块内部芯片级的损耗模型；
[0013]步骤二：建立描述IGBT模块内部热传导过程的热模型；
[0014]步骤三：建立描述散热系统中流体的热对流过程的共轭传热模型；
[0015]步骤四：基于COMSOL Multiphysic with MATLAB编写电
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热
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流体之间耦合变量的交互程序，实现基于实际工况的功率半导体模块电
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热
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流体多物理场耦合仿真。
[0016]2.根据权利要求1所述的一种基于工况的IGBT模块电
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热
‑
流体多场耦合仿真方法，其特征在于，步骤一具体为：一方面，利用ANSYS Q3D中提取IGBT模块的杂散电感矩阵，将提取结果导入到LTspice中，结合芯片的Spice模型搭建双脉冲仿真模型，进而得到各芯片开关损耗随负载电流及结温变化的规律；另一方面，在Simulink中搭建电路仿真模型，得到特定控制方式和调制策略下的负载电流和IGBT模块的开关时序；将上述两方面得到的器件信息导入到MATLAB工作区中，即得到IGBT模块内部芯片级的损耗模型。
[0017]3.根据权利要求2所述的一种基于工况的IGBT模块电
‑
热
‑
流体多场耦合仿真方法，其特征在于，利用ANSYS Q3D中提取IGBT模块的杂散电感矩阵，将提取结果导入到LTspice中，结合芯片的Spice模型搭建双脉冲仿真模型，进而得到各芯片开关损耗随负载电流及结温变化的规律，具体为：
[0018]在ANSYS Q3D中建立IGBT模块的杂散电感提取模型，提取频率设置为20MHz，将提取后的杂散电感导入到Ltspice中，结合芯片的Spice模型搭建双脉冲仿真模型，仿真得到不同结温和负载电流下并联各芯片损耗占总损耗的比例，并通过下式拟合：
[0019]k
i
＝a+bI
C
+cT
jav
+dI
C2
+eI
C
T
jav
+fT
jav2
ꢀꢀꢀ
(1)
[0020]其中：a～f为拟合系数；I
C
为集电极电流；T
jav
为并联芯片的平均结温；
[0021]最终得到的芯片损耗模型，芯片的开通损耗表示为：
[0022]E
on_i
＝k
i
·
E
on_ref
+k
Tj
·
ΔT
ji，i
＝1，2，3
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0023]其中：E
on_ref
为并联芯片总开通损耗；k
i
不同结温和负载电流下并联各芯片损耗占总损耗的比例，由公式(1)决定；其中k
Tj
为开通损耗的温度系数，表示为：
[0024][0025]芯片的关断损耗与杂散电感分布相关性较低，平均化表示：
[0026][0027]通过IGBT模块的数据手册，提取单个芯片的正向特性及并联芯片的总开关损耗如下：
[0028]E
off_ref
(T
jav
，I
C
)＝K
T1
·
I
C
+K
T2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0029]V
ce
(T
ji
，I
C_i
)＝K
T3
·
3I
Ci
+K
T4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0030]E
rec_ref
(T
djav
，I
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于工况的IGBT模块电
‑
热
‑
流体多场耦合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤；步骤一：建立IGBT模块内部芯片级的损耗模型；步骤二：建立描述IGBT模块内部热传导过程的热模型；步骤三：建立描述散热系统中流体的热对流过程的共轭传热模型；步骤四：基于COMSOL Multiphysic with MATLAB编写电
‑
热
‑
流体之间耦合变量的交互程序，实现基于实际工况的功率半导体模块电
‑
热
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流体多物理场耦合仿真。2.根据权利要求1所述的一种基于工况的IGBT模块电
‑
热
‑
流体多场耦合仿真方法，其特征在于，步骤一具体为：一方面，利用ANSYS Q3D中提取IGBT模块的杂散电感矩阵，将提取结果导入到LTspice中，结合芯片的Spice模型搭建双脉冲仿真模型，进而得到各芯片开关损耗随负载电流及结温变化的规律；另一方面，在Simulink中搭建电路仿真模型，得到特定控制方式和调制策略下的负载电流和IGBT模块的开关时序；将上述两方面得到的器件信息导入到MATLAB工作区中，即得到IGBT模块内部芯片级的损耗模型。3.根据权利要求2所述的一种基于工况的IGBT模块电
‑
热
‑
流体多场耦合仿真方法，其特征在于，利用ANSYS Q3D中提取IGBT模块的杂散电感矩阵，将提取结果导入到LTspice中，结合芯片的Spice模型搭建双脉冲仿真模型，进而得到各芯片开关损耗随负载电流及结温变化的规律，具体为：在ANSYS Q3D中建立IGBT模块的杂散电感提取模型，提取频率设置为20MHz，将提取后的杂散电感导入到Ltspice中，结合芯片的Spice模型搭建双脉冲仿真模型，仿真得到不同结温和负载电流下并联各芯片损耗占总损耗的比例，并通过下式拟合：k
i
＝a+bI
C
+cT
jav
+dI
C2
+eI
C
T
jav
+fT
jav2
ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中：a～f为拟合系数；I
C
为集电极电流；T
jav
为并联芯片的平均结温；最终得到的芯片损耗模型，芯片的开通损耗表示为：E
on_i
＝k
i
·
E
on_ref
+k
Tj
·
ΔT
ji
，i＝1，2，3
ꢀꢀꢀꢀ
(2)其中：E
on_ref
为并联芯片总开通损耗；k
i
不同结温和负载电流下并联各芯片损耗占总损耗的比例，由公式(1)决定；其中k
Tj
为开通损耗的温度系数，表示为：芯片的关断损耗与杂散电感分布相关性较低，平均化表示：通过IGBT模块的数据手册，提取单个芯片的正向特性及并联芯片的总开关损耗如下：E
off_ref
(T
jav
，I
C
)＝K
T1
·
I
C
+K
T2
ꢀꢀꢀꢀ
(5)E
rec_ref
(T
djav
，I
f
)＝K
T5
·
I
f2
+K
T6
·
I
f
+K
T7
ꢀꢀꢀꢀ
(7)E
on_ref
(T
jav
，I
C
)＝K
T8
·
I
C2
+K
T9
·
I
C
+K
T10
ꢀꢀꢀꢀ
(8)V
f
(T
dji
，I
f_i
)＝K
T11
·
(3I
f_i
)2+K
T12
·
(3I
f_i
)+K
T13
ꢀꢀꢀꢀ
(9)其中，E
off_ref
为并联芯片总关断损耗；K
T1
‑
K
T13
为与温度相关的拟合系数；I
C
为并联芯片
的集电极电流；V
ce
为并联芯片的集射极电压；I
ci
为单个芯片的集电极电流；E
rec_ref
为反向恢复的总损耗；I
f
为二极管的总反向恢复电流；E
on_ref
为并联芯片的总开通损耗；V
f
为二极管的正向电压；I
f_i
为单个二极管的反向恢复电流。4.根据权利要求3所述的一种基于工况的IGBT模块电
‑
热
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流体多场耦合仿真方法，其特征在于，在Simulink中搭建电路仿真模型，得到特定控制方式和调制策略下的负载电流和IGBT模块的开关时序，具体为：在Simulink中仿真得到指定拓扑及控制策略下器件的桥臂电流、母线电压及开关时序，通过公式(10)
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(16)计算开关周期内的瞬时损耗Psw；(16)计算开关周期内的瞬时损耗Psw；(16)计算开关周期内的瞬时损耗Psw；(16)计算开关周期内的瞬时损耗Psw；(16)计算开关周期内的瞬时损耗Psw；(16)计算开...

【专利技术属性】
技术研发人员：王来利，王见鹏，吴宇薇，刘意，张缙，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：