热阻抗模型建模及结温估计方法、计算机设备及存储介质技术

本发明专利技术提供一种热阻抗模型建模及结温估计方法、计算机设备及存储介质。功率模块热阻抗模型建模方法包括：建立功率模块的有限元热仿真模型；根据有限元热仿真模型的仿真结果得到HA

【技术实现步骤摘要】
热阻抗模型建模及结温估计方法、计算机设备及存储介质


[0001]本专利技术属于电力电子器件领域，尤其是涉及一种考虑到材料温度特性的快速鲁棒功率模块热阻抗模型建模方法。

技术介绍

[0002]功率模块广泛应用于轨道交通，新能源发电，以及机车牵引系统等领域。现有技术中，位于功率模块外壳内的功率模块封装结构自上而下(功率模块高度方向)依次为第1层结构、第2层结构、
……
、第7层结构，所述第1层结构、第2层结构、
……
、第7层结构分别对应为芯片所在层L1、芯片焊料层L2、上铜层L3、陶瓷层L4、下铜层L5、衬底焊料层L6以及基板层L7。热量由功率模块芯片有源区(即芯片层，尺寸例如为长*宽*高为7.5mm*7.5mm*0.15mm)产生，通过焊料层、DBC层(Direct Bond Copper，直接覆铜陶瓷衬底)和散热的基板层L7传播，最终到达外部冷却系统(散热器)。DBC包括上铜层L3、陶瓷层L4、下铜层L5。衬底焊料层L6也称下焊料层、DBC焊料层。基板层7作用为将功率模块固定到散热器上，起到导热作用。散热器即与基板层L7直接接触的冷却器件。散热器可为风冷散热器或水冷散热器。基板层L7的底端、四个侧壁均朝向功率模块外侧设置(即直接朝向功率模块外部的环境)。
[0003]出于成本考虑，功率模块的功率密度等级不断提升。然而由于额外增加的功率，模块承受着更大的温度波动，失效风险变得更加严峻。因此，准确监测器件的结温信息对于功率模块的热管理和可靠性评估显得尤为重要。
[0004]传统红外相机、热电偶以及光纤测温等侵入式结温测量手段需要打开模块封装，操作复杂，且容易损坏功率模块。
[0005]而热阻抗网络模型(或称热阻抗模型)由于表达式简洁、计算速度快的显著特点而被广泛应用于功率模块结温监测领域。热阻抗网络模型研究，将功率模块传热路径等效为一维传热路径，热路类比于电路，使用R表示热阻(类似于电路中的电阻)，C表示热容(类似于电路中的电容)，最终构成RC热等效电路模型。热阻抗模型中的各个节点即与实际的7层封装结构中各层的设定测量位置对应，从而可以根据热阻抗模型中节点的温度得到相应设定测量位置的温度。
[0006]功率模块热阻抗模型建模中，需要根据有效传热面积计算热阻、热容，而现有技术中一般采用热扩散角模型计算各层的有效传热面积，但现有的热扩散角模型精度较差，使得计算得到的热阻抗模型中的热阻、热容计算精度较差，使得热阻抗模型对于结温的估计误差较大。
[0007]为了提高热阻抗模型的结温估计精度，也有研究结合瞬态有限元仿真结果，即在有限元热仿真模型中得到与热阻抗模型中各个节点对应的温度(即各层设定测量位置的温度)，获得各个节点的动态温度曲线后，再相应辨识热阻抗模型中的热阻、热容参数，从而再利用热阻抗模型进行后续结温估计。但是上述方法需要利用瞬态有限元仿真确定节点的瞬态温度响应曲线，从而对每层结构对应的热阻、热容进行辨识，使得耗时较长、效率低，无法满足功率模块的结温估计需求。

技术实现思路

[0008]本专利技术要解决的问题是针对现有热阻抗模型中需利用热扩散角模型计算的有效传热面积精度低、利用瞬态有限元仿真结果得到热阻抗模型中热阻、热容参数耗时较长且效率较低的问题，提供一种功率模块热阻抗模型建模方法。
[0009]本专利技术解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：一种功率模块热阻抗模型建模方法，所述功率模块热阻抗模型建模方法包括如下步骤：
[0010]步骤1：根据功率模块的7层封装结构的材料和尺寸参数，建立功率模块的有限元热仿真模型，其中，所述7层封装结构的第1层结构、第2层结构、
……
、第7层结构分别为芯片所在层、芯片焊料层、上铜层、陶瓷层、下铜层、衬底焊料层、基板层；
[0011]步骤2：令HA个值htc(1)、htc(2)、
……
、htc(HA)中的一个值与PA个值P
Loss
(1)、P
Loss
(2)、
……
、P
Loss
(PA)中的一个值组成一组参数，从而得到HA
×
PA组参数，所述HA个值是从功率模块底端对流散热系数的预设范围[htc(1),htc(HA)]内选取的数值依次增大的值，所述PA个值是从芯片的功率损耗的预设范围[P
Loss
(1),P
Loss
(PA)]内选取的数值依次增大的值；
[0012]将所述HA
×
PA组参数分别施加到有限元热仿真模型中，且将环境温度设定值作为有限元热仿真模型中施加的环境温度，根据有限元热仿真模型的仿真结果以及K
i,TA
的值，得到HA
×
PA个第一求和值R
jc(1)
、R
jc(2)
、
……
、R
jc(HA
×
PA)
，其中
[0013][0014]其中，m＝1,2,
…
,HA
×
PA，K
1,TA
、K
2,TA
、
……
、K
7,TA
分别表示与第一设定温度TA对应的第1层结构、第2层结构、
……
、第7层结构的材料的热导率，d1、d2、
……
、d7分别为第1层结构、第2层结构、
……
第7层结构的厚度；T1
m
、T2
m
分别为将第m组参数施加到有限元热仿真模型后得到的第1层结构、第2层结构的设定测量位置的温度，各层结构的设定测量位置均位于与功率模块高度方向平行的第一直线上，K(T1
m
)表示与温度为T1
m
对应的、第1层结构的材料热导率，A
solder1
为第2层结构上表面面积，P
Loss(m)
为第m组参数中的芯片的功率损耗，q
m
(i,z)为将第m组参数施加到有限元热仿真模型得到的、第i层结构中与第i层结构上端面在高度方向距离为z、且位于第一直线上的位置的热流密度；
[0015]步骤3：建立oxyz坐标系，x轴表示功率模块底端的对流散热系数，y轴表示芯片的功率损耗，z轴表示第一求和值，根据HA
×
PA组参数、与HA
×
PA组参数分别对应的HA
×
PA个第一求和值，在oxyz坐标系中得到HA
×
PA个坐标点；
[0016]步骤4：利用插值法，根据所述HA
×
PA个坐标点在oxyz坐标系中得到三维曲面；
[0017]步骤5：将oxyz坐标系中的三维曲面映射到o1x1y1坐标系中，得到第一映射结果，其中，x轴坐标、y轴坐标与x1轴坐标、y1轴坐标分别对应，z轴坐标对应于o1x1y1坐标系中坐标点的特征值(即oxyz坐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功率模块热阻抗模型建模方法，其特征在于：所述功率模块热阻抗模型建模方法包括如下步骤：步骤1：根据功率模块的7层封装结构的材料和尺寸参数，建立功率模块的有限元热仿真模型，其中，所述7层封装结构的第1层结构、第2层结构、
……
、第7层结构分别为芯片所在层、芯片焊料层、上铜层、陶瓷层、下铜层、衬底焊料层、基板层；步骤2：令HA个值htc(1)、htc(2)、
……
、htc(HA)中的一个值与PA个值P
Loss
(1)、P
Loss
(2)、
……
、P
Loss
(PA)中的一个值组成一组参数，从而得到HA
×
PA组参数，所述HA个值是从功率模块底端对流散热系数的预设范围[htc(1),htc(HA)]内选取的数值依次增大的值，所述PA个值是从芯片的功率损耗的预设范围[P
Loss
(1),P
Loss
(PA)]内选取的数值依次增大的值，HA、PA均为预设值；将所述HA
×
PA组参数分别施加到有限元热仿真模型中，且将环境温度设定值作为有限元热仿真模型中施加的环境温度，根据有限元热仿真模型的仿真结果以及K
i,TA
的值，得到HA
×
PA个第一求和值R
jc(1)
、R
jc(2)
、
……
、R
jc(HA
×
PA)
，其中其中，m＝1,2,
…
,HA
×
PA，K
1,TA
、K
2,TA
、
……
、K
7,TA
分别表示与第一设定温度TA对应的第1层结构、第2层结构、
……
、第7层结构的材料的热导率，d1、d2、
……
、d7分别为第1层结构、第2层结构、
……
第7层结构的厚度；T1
m
、T2
m
分别为将第m组参数施加到有限元热仿真模型后得到的第1层结构、第2层结构的设定测量位置的温度，各层结构的设定测量位置均位于与功率模块高度方向平行的第一直线上，K(T1
m
)表示与温度为T1
m
对应的、第1层结构的材料热导率,A
solder1
为第2层结构上表面面积，P
Loss(m)
为第m组参数中的芯片的功率损耗，q
m
(i,z)为将第m组参数施加到有限元热仿真模型得到的、第i层结构中与第i层结构上端面在高度方向距离为z、且位于第一直线上的位置的热流密度；步骤3：建立oxyz坐标系，x轴表示功率模块底端的对流散热系数，y轴表示芯片的功率损耗，z轴表示第一求和值，根据HA
×
PA组参数、与HA
×
PA组参数分别对应的HA
×
PA个第一求和值，在oxyz坐标系中得到HA
×
PA个坐标点；步骤4：利用插值法，根据所述HA
×
PA个坐标点在oxyz坐标系中得到三维曲面；步骤5：将oxyz坐标系中的三维曲面映射到o1x1y1坐标系中，得到第一映射结果，其中，x轴坐标、y轴坐标与x1轴坐标、y1轴坐标分别对应，z轴坐标对应于o1x1y1坐标系中坐标点的特征值；在o1x1y1坐标系中，将第一映射结果中特征值等于R
jc,1
的点相连形成第1条连线，将第一映射结果中特征值等于R
jc,2
的点相连形成第2条连线，
……
，将第一映射结果中特征值等于R
jc,NA
的点相连形成第NA条连线，从而得到NA条连线；NA个第一设定值R
jc,1
、R
jc,2
、
……
、R
jc,NA
等距且数值依次增大；根据与第一虚拟线段有交点的NA条连线中的各个连线，将第一虚拟线段划分为N个子线段，2≤N≤10；N为预设值，NA的取值由N的取值确定，所述NA个第一设定值的取值根据NA的取值以及所述HA
×
PA个第一求和值所在的数值范围确定；N个子线段的长度之和为第一虚拟线段的长度；所述第一虚拟线段的第一端点(FA)、第二端点(FD)在x1轴上的坐标均为
P
Loss
(P1)，在y1轴上的坐标分别为htc(1)、htc(HA)；P
Loss
(P1)为芯片的额定功率，P
Loss
(P1)≤P
Loss
(PA)；步骤6：建立所述功率模块的热阻抗模型；所述热阻抗模型具有第一节点(TU)、用于表示芯片的实际功率损耗的第一元件(PU)、N个结构相同且相互并联的传热支路；所述第一节点(TU)的温度值为功率模块底端的实测温度；所述第一元件(PU)一端与热沉连接；所述热阻抗模型具有N个连接状态；当实际的功率模块底端对流散热系数位于第n个对流散热系数子范围时，所述热阻抗模型处于第n个连接状态，且所述第一元件(PU)另一端、第一节点(TU)分别对应与第n个传热支路两端连接，从而形成Cauer传热网络结构；第n个传热支路中与第i层结构对应的热阻元件的靠近第一元件(PU)的节点的温度为待确定的第i层结构的设定测量位置的温度；第n个对流散热系数子范围的上限、下限分别为第n个子线段的远离x1坐标轴的端点、靠近x1坐标轴的端点对应的对流散热系数；其中，第n个传热支路中与第i层结构对应的热阻元件的热阻R
i,n
、与第i层结构对应的热容元件的热容C
i,n
的表达式如下：的表达式如下：其中，d
i
为第i层结构的厚度，K
i,n
为第n个传热支路中与第i层结构的材料对应的热导率，c
i,n
第n个传热支路中与第i层结构的材料对应的比热容；q
i,n,z
是通过将P
Loss,n
、htc
n
、第二设定温度TB施加到步骤1建立的有限元热仿真模型后得到的第i层结构的设定测量位置的热流密度，第二设定温度TB为施加的环境温度，P
Loss,n
、htc
n
分别为与第n个特征坐标点对应的对流散热系数、芯片的功率损耗，A
solder1
为第2层结构上表面面积，各个特征坐标点均为o1x1y1坐标系中的坐标点；其中，第n个特征坐标点位于第n个子线段上，且第n个特征坐标点在y1轴上的坐标值与第n个子线段的靠近x1轴的端点在y1轴上的坐标值之间差值的取值范围为[30％
×
L
n
,70％
×
L
n
]，L
n
为第n个子线段两个端点在y1轴上坐标值的差值的绝对值，n＝1,2,
……
,N；T'(1)
n
、T'(2)
n
分别为与第n个传热支路对应的待确定的第1层结构的设定测量位置的温度T1、待确定的第2层结构的设定测量位置的温度T2，或T'(1)
n
、T'(2)
n
是通过将P
Loss,n
、htc
n
、第二设定温度TB施加到步骤1建立的有限元热仿真模型后得到的第1层结构的设定测量位置的温度、...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鑫，衡可，武新龙，欧阳晓平，
申请(专利权)人：长沙半导体技术与应用创新研究院，
类型：发明
国别省市：