一种考虑散热器的IGBT模块结温计算方法技术

本发明专利技术涉及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。本发明专利技术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。实时响应。实时响应。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑散热器的IGBT模块结温计算方法


[0001]本专利技术涉及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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术从提高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。
[0006]本专利技术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：
[0007]T
j_igbt
＝ΔT
jc_igbt
+ΔT
grease_igbt
+ΔT
plate_igbt
+T
a
，
[0008]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；T
a
：散热器冷却介质入口温度；
[0009]FWD芯片结温T
j_fwd
计算公式如下：
[0010]T
j_fwd
＝ΔT
jc_fwd
+ΔT
grease_fwd
+ΔT
plate_fwd
+T
a
，
[0011]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。
[0012]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]R
grease_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]R
plate_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]k
fwd
：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]R
fwd
、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]R
grease_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]R
plate_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]k
igbt
：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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑散热器的IGBT模块结温计算方法，其特征在于：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：T
j_igbt
＝ΔT
jc_igbt
+ΔT
grease_igbt
+ΔT
plate_igbt
+T
a
，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；T
a
：散热器冷却介质入口温度；FWD芯片结温T
j_fwd
计算公式如下：T
j_fwd
＝ΔT
jc_fwd
+ΔT
grease_fwd
+ΔT
plate_fwd
+T
a
，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。2.根据权利要求1所述的一种考虑散热器的IGBT模块结温计算方法，其特征在于：2.根据权利要求1所述的一种考虑散热器的IGBT模块结温计算方法，其特征在于：2.根据权利要求1所述的一种考虑散热器的IGBT模块结温计算方法，其特征在于：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；R
grease_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；R
plate_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；P
igbt
：IGBT芯片损耗功率；P
fwd
：FWD芯片损耗功率；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；k
fwd

【专利技术属性】
技术研发人员：水富丽，郭佳，刘志敏，王武俊，李刚，荆海燕，
申请(专利权)人：中车永济电机有限公司，
类型：发明
国别省市：