一种IGBT功率模块热网络模型的分区解耦计算方法技术

本发明专利技术提供了一种IGBT功率模块热网络模型的分区解耦计算方法，属于半导体制造技术领域。所述解耦计算方法包括将考虑热耦合效应的紧凑型热网络模型拆分为独立热网络模型、建立独立的热网络模型的离散化状态方程、计算第k+1个离散周期的独立的热网络模型的结点温度作为紧凑型热网络模型的结点温度值等多个步骤。该发明专利技术能够准确计算IGBT功率模块紧凑型热网络的结温，并通过分区解耦的方法提高了结温计算效率，该发明专利技术能够嵌入到数字信号处理器中实现高效率的IGBT功率模块结温在线计算。现高效率的IGBT功率模块结温在线计算。现高效率的IGBT功率模块结温在线计算。

【技术实现步骤摘要】
一种IGBT功率模块热网络模型的分区解耦计算方法


[0001]本专利技术涉及半导体制造
，具体涉及一种IGBT功率模块热网络模型的分区解耦计算方法。

技术介绍

[0002]功率模块的结温是电力电子系统热管理和可靠性评估的重要参数，基于热网络模型的结温计算方法广泛应用于主动热控制和基于任务剖面的可靠性预测中。对于多芯片IGBT功率模块，不同芯片之间的热耦合效应不可忽略，因此一维热网络模型需要扩展到考虑热耦合的二维热网络模型，但随着模型的复杂性增加，会导致结温计算效率的下降。
[0003]针对IGBT功率模块热网络模型计算精度和计算效率问题，根据现有的公开的参考文献，一些研究方法如下：
[0004]文献1“Wang Z,Qiao W.An Online Frequency
‑
Domain Junction Temperature Estimation Method for IGBT Modules[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(9):3633
‑
3637.”(一种IGBT模块频域结温在线估计方法)提出一种频域结温估计方法，能够显著提高计算效率。
[0005]文献2“Y Zhang,Ge X,Y Zhang,et al.A Novel Three
‑
Pulse Equivalent Power Loss Profile for Simplified Thermal Estimation[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,2021.”(一种简化热估计的三脉冲等效功率损耗曲线)提出考虑最大结温和最小结温出现点的简化建模方法，从而解决计算精度与计算效率之间的冲突。
[0006]但这些方法都是针对Foster结构热网络提出，而Cauer结构热网络由于其特殊的网络结构，较难进行定量分析。
[0007]文献3“Guo W,Ma M G,Wang H,et al.A Thermal Estimation Method for IGBT Module Adaptable to Operating Conditions[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2020,PP(99):1
‑
1.”(一种适应运行工况的IGBT模块热估计方法)提出了适应实际运行工况的IGBT模块结温计算方法，但这种方法只适用于紧凑型热网络模型。
[0008]综上所述，提高热网络计算效率的相关研究目前存在以下不足：
[0009]1)几乎所有热网络计算效率高的热估计方法都是针对Foster网络提出的，很少有针对Cauer网络计算负荷减少方面的研究；
[0010]2)文献3中提出的紧凑型Cauer热网络能够保证精度，但是计算效率仍存在优化空间。

技术实现思路

[0011]本专利技术要解决的问题为IGBT功率模块热网络模型考虑热耦合效应时结温的计算效率降低，弥补功率模块紧凑型Cauer热网络模型关于计算效率研究上的不足，本专利技术提供了一种高效准确的计算IGBT功率模块热网络模型结点温度的分区解耦方法。
[0012]本专利技术通过如下技术方案实现：一种IGBT功率模块热网络模型的分区解耦计算方法，所述IGBT功率模块包括IGBT类芯片和Diode类芯片，所述IGBT功率模块热网络模型为考虑热耦合效应的紧凑型热网络模型，用于描述1个IGBT芯片及相邻的1个Diode芯片的传热行为；
[0013]所述分区解耦计算方法包括以下步骤：
[0014]步骤1，紧凑型热网络模型的建立和拆分
[0015]所述紧凑型热网络模型为IGBT芯片及相邻Diode芯片到参考点之间的二维Cauer热网络结构，记为热网络模型M1，热网络模型M1包括6个温度结点、2个输入损耗电流源、8个热导和6个热容；所述6个温度结点记为温度结点Γ
i
，i＝1,2,3,4,5,6，温度结点Γ
i
的温度记为结点温度T
i_ref
，i＝1,2,3,4,5,6；所述2个输入损耗电流源分别对应IGBT芯片损耗和Diode芯片损耗，并分别记为输入损耗电流源P
igbt
和输入损耗电流源P
diode
；所述8个热导分别记为热导G
1_3
、热导G
2_4
、热导G
3_5
、热导G
4_6
、热导G
3_4
、热导G
5_6
、热导G
5_0
、热导G
6_0
；所述6个热容记为热容C
j
，j＝1,2,3,4,5,6；
[0016]所述热网络模型M1分为三层，由上至下，温度结点Γ1和温度结点Γ2为第一层，温度结点Γ3和温度结点Γ4为第二层，温度结点Γ5和温度结点Γ6为第三层，温度结点Γ1、温度结点Γ3、温度结点Γ5在垂直方向上对齐，温度结点Γ2、温度结点Γ4和温度结点Γ6在垂直方向上对齐；
[0017]输入损耗电流源P
igbt
的一端与温度结点Γ1连接，另一端接地，输入损耗电流源P
diode
的一端与温度结点Γ2连接，另一端接地；热导G
1_3
设置在温度结点Γ1和温度结点Γ3之间，热导G
2_4
设置在温度结点Γ2和温度结点Γ4之间，热导G
3_5
设置在温度结点Γ3和温度结点Γ5之间，热导G
4_6
设置在温度结点Γ4和温度结点Γ6之间，热导G
3_4
设置在温度结点Γ3和温度结点Γ4之间，热导G
5_6
设置在温度结点Γ5和温度结点Γ6之间，热导G
5_0
的一端与温度结点Γ5连接，另一端接地，热导G
6_0
的一端与温度结点Γ6连接，另一端接地；热容C1、热容C2、热容C3、热容C4、热容C5、热容C6的一端分别与温度结点Γ1、温度结点Γ2、温度结点Γ3、温度结点Γ4、温度结点Γ5、温度结点Γ6连接，另一端接地；
[0018]移除热网络模型M1中的热导G
3_4
和热导G
5_6
，将热网络模型M1分解为两个独立的不考虑热耦合效应的热网络模型，分别记为热网络模型M
T
和热网络模型M
D
；
[0019]所述热网络模型M
T
为三层Cauer网络结构，包括3个温度结点、3个热导、3个热容和输入损耗电流源P
igbt
，3个温度结点分别为温度结点Γ1、温度结点Γ3和温度结点Γ5，3个热导分别为热导G
1_3
、热导G
3_5...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种IGBT功率模块热网络模型的分区解耦计算方法，所述IGBT功率模块包括IGBT类芯片和Diode类芯片，所述IGBT功率模块热网络模型为考虑热耦合效应的紧凑型热网络模型，用于描述1个IGBT芯片及相邻的1个Diode芯片的传热行为；其特征在于，所述分区解耦计算方法包括以下步骤：步骤1，紧凑型热网络模型的建立和拆分所述紧凑型热网络模型为IGBT芯片及相邻Diode芯片到参考点之间的二维Cauer热网络结构，记为热网络模型M1，热网络模型M1包括6个温度结点、2个输入损耗电流源、8个热导和6个热容；所述6个温度结点记为温度结点Γ
i
，i＝1,2,3,4,5,6，温度结点Γ
i
的温度记为结点温度T
i_ref
，i＝1,2,3,4,5,6；所述2个输入损耗电流源分别对应IGBT芯片损耗和Diode芯片损耗，并分别记为输入损耗电流源P
igbt
和输入损耗电流源P
diode
；所述8个热导分别记为热导G
1_3
、热导G
2_4
、热导G
3_5
、热导G
4_6
、热导G
3_4
、热导G
5_6
、热导G
5_0
、热导G
6_0
；所述6个热容记为热容C
j
，j＝1,2,3,4,5,6；所述热网络模型M1分为三层，由上至下，温度结点Γ1和温度结点Γ2为第一层，温度结点Γ3和温度结点Γ4为第二层，温度结点Γ5和温度结点Γ6为第三层，温度结点Γ1、温度结点Γ3、温度结点Γ5在垂直方向上对齐，温度结点Γ2、温度结点Γ4和温度结点Γ6在垂直方向上对齐；输入损耗电流源P
igbt
的一端与温度结点Γ1连接，另一端接地，输入损耗电流源P
diode
的一端与温度结点Γ2连接，另一端接地；热导G
1_3
设置在温度结点Γ1和温度结点Γ3之间，热导G
2_4
设置在温度结点Γ2和温度结点Γ4之间，热导G
3_5
设置在温度结点Γ3和温度结点Γ5之间，热导G
4_6
设置在温度结点Γ4和温度结点Γ6之间，热导G
3_4
设置在温度结点Γ3和温度结点Γ4之间，热导G
5_6
设置在温度结点Γ5和温度结点Γ6之间，热导G
5_0
的一端与温度结点Γ5连接，另一端接地，热导G
6_0
的一端与温度结点Γ6连接，另一端接地；热容C1、热容C2、热容C3、热容C4、热容C5、热容C6的一端分别与温度结点Γ1、温度结点Γ2、温度结点Γ3、温度结点Γ4、温度结点Γ5、温度结点Γ6连接，另一端接地；移除热网络模型M1中的热导G
3_4
和热导G
5_6
，将热网络模型M1分解为两个独立的不考虑热耦合效应的热网络模型，分别记为热网络模型M
T
和热网络模型M
D
；所述热网络模型M
T
为三层Cauer网络结构，包括3个温度结点、3个热导、3个热容和输入损耗电流源P
igbt
，3个温度结点分别为温度结点Γ1、温度结点Γ3和温度结点Γ5，3个热导分别为热导G
1_3
、热导G
3_5
和热导G
5_0
，3个热容分别为热容C1、热容C3和热容C5；所述热网络模型M
D
为三层Cauer网络结构，包括3个温度结点、3个热导、3个热容和输入损耗电流源P
diode
，3个温度结点分别为温度结点Γ2、温度结点Γ4和温度结点Γ6，3个热导分别为热导G
2_4
、热导G
4_6
和热导G
6_0
，3个热容分别为热容C2、热容C4和热容C6；步骤2，建立热网络模型M
T
和热网络模型M
D
的状态方程并离散化步骤2.1，建立热网络模型M
T
和热网络模型M
D
的状态方程热网络模型M
T
的状态方程表达式如下：其中，t是时间，T
T
为热网络模型M
T
的结点温度矩阵，T
T
＝[T
1_rdf T
3_rdf T
5_rdf
]；A
T
为热网络模型M
T
的系数矩阵，B
T
为热网络模型M
T
的输入矩阵，P
T
为热网络模型M
T
的输
入损耗矩阵，其表达式分别为：入损耗矩阵，其表达式分别为：P
T
＝[P
igbt 0 0]
T
；热网络模型M
D
的状态方程表达式如下：其中，T
D
为热网络模型M
D
的结点温度矩阵,T
D
＝[T
2_rdf T
4_rdf T
6_rdf
]；A
D
为热网络模型M
D
的系数矩阵，B
D
为热网络模型M
D
的输入矩阵，P
D
为热网络模型M
D
的输入损耗矩阵，其表达式分别为：入损耗矩阵，其表达式分别为：P
D
＝[P
diode 0 0]
T
；步骤2.2，建立热网络模型M
T
和热网络模型M
D
的状态方程的离散形式表达式设离散周期为T
s
，并记当前离散周期为第k个离散周期；热网络模型M
T
的状态方程的离散形式表达式如下：T
T
[k+1]＝G
T
T
T
[k]+H
T
P
T
[k]
ꢀꢀ
(1)其中，T
T
[k]为第k个离散周期中热网络模型M
T
的结点温度矩阵，T
T
[k+1]为第k+1个离散周期中热网络模型M
T
的结点温度矩阵，G
T
为离散形式的热网络模型M
T

【专利技术属性】
技术研发人员：马铭遥，宋启伟，郭伟生，杨淑英，王涵宇，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：