一种考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法及装置制造方法及图纸

本申请提供了一种考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法及装置，该方法包括：根据

【技术实现步骤摘要】
一种考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法及装置


[0001]本申请涉及功率器件结温预测
，尤其涉及一种考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法及装置
。

技术介绍

[0002]绝缘栅双极型晶体管
(insulated gate bipolar transistor,IGBT)
以其导通压降低
、
功率密度大
、
开关速度快等显著特点而被广泛应用于轨道交通
、
新能源发电和电动汽车等领域
。
[0003]然而，复杂的工况导致
IGBT
成为变流器中最易发生失效的部件之一，功率芯片的高电流密度和高集成度的特点导致
IGBT
模块在实际运行中承受较高的结温波动
。
对
IGBT
结温进行预测，提前更换结温变化非正常的
IGBT
模块，可保证变流器的可靠运行
。
[0004]由于
IGBT
结温预测与其模块几何结构和材料参数存在联系，现有的结温预测方法主要围绕
IGBT
电气特征参数和热网络结构展开
。
现有技术中，
IGBT
结温预测方法结构简单，易受到多种因素
(
如：热扩散角
、
多芯片热耦合等
)
的干扰，难以在实际运用中实现
。
更为严重的是，部分结温预测方法速度慢
、
精度低，难以实现在线运行，且鲁棒性较低，因此难以保障变流器电力电子系统的安全可靠运行
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的问题，本申请实施例提供一种考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法及装置，能够至少部分地解决现有技术中存在的问题
。
[0006]第一方面，本申请提供一种考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法，包括：
[0007]根据
IGBT
模块的初始
Cauer
热网络模型及
IGBT
模块中各层材料的热扩散角创建
IGBT
模块的考虑热扩散角的优化
Cauer
热网络模型；
[0008]通过有限元仿真创建考虑所述
IGBT
模块中功率芯片之外的芯片对所述功率芯片的热耦合的
Foster
热网络模型；
[0009]根据发生热耦合的材料层，将所述
Foster
热网络模型线性加入所述优化
Cauer
热网络模型，得到考虑热耦合及热扩散角的热网络模型；
[0010]根据所述考虑热耦合及热扩散角的热网络模型预测功率芯片的结温
。
[0011]进一步地，所述根据
IGBT
模块的初始
Cauer
热网络模型及
IGBT
模块中各层材料的热扩散角创建
IGBT
模块的考虑热扩散角的优化
Cauer
热网络模型，包括：
[0012]根据
IGBT
模块的三维尺寸参数及热特性参数创建所述初始
Cauer
热网络模型；
[0013]根据
IGBT
模块的热流密度
、
功率芯片的损耗功率及
IGBT
模块中各层材料的厚度计算所述
IGBT
模块中各层材料的热扩散角；
[0014]根据所述热扩散角优化所述初始
Cauer
热网络模型，生成所述优化
Cauer
热网络模型
。
[0015]进一步地，所述根据
IGBT
模块的三维尺寸参数及热特性参数创建所述初始
Cauer
热网络模型，包括：
[0016]获取所述
IGBT
模块的三维尺寸参数及热特性参数；
[0017]根据所述三维尺寸参数及所述热特性参数生成所述初始
Cauer
热网络模型
。
[0018]进一步地，所述根据
IGBT
模块的热流密度
、
功率芯片的损耗功率及
IGBT
模块中各层材料的厚度计算所述
IGBT
模块中各层材料的热扩散角，包括：
[0019]通过有限元仿真获取所述
IGBT
模块的热流密度；
[0020]根据所述热流密度及所述功率芯片的损耗功率生成
IGBT
模块中各层材料的有效导热半径；
[0021]根据所述有效导热半径生成所述热扩散角
。
[0022]进一步地，所述通过有限元仿真获取所述
IGBT
模块的热流密度，包括：
[0023]根据所述三维尺寸参数及所述热特性参数搭建所述
IGBT
模块的三维实体模型；
[0024]将所述三维实体模型通过网格划分生成有限元仿真模型；
[0025]将预先设定的功率芯片的损耗功率及散热条件加入所述有限元仿真模型，生成第一传热模型；
[0026]通过所述第一传热模型提取所述热流密度
。
[0027]进一步地，所述根据所述热扩散角优化所述初始
Cauer
热网络模型，生成所述优化
Cauer
热网络模型，包括：
[0028]根据
IGBT
模块中各层材料的有效导热半径及所述
IGBT
模块中各层材料的热扩散角生成
IGBT
模块中各层材料的有效导热面积；
[0029]根据所述有效导热面积优化所述初始
Cauer
热网络模型，生成所述优化
Cauer
热网络模型
。
[0030]进一步地，所述通过有限元仿真创建考虑所述
IGBT
模块中功率芯片之外的芯片对所述功率芯片的热耦合的
Foster
热网络模型，包括：
[0031]通过有限元仿真获取所述功率芯片的结温及壳温；
[0032]根据功率芯片之外的芯片的损耗功率
、
所述结温及所述壳温，生成所述
Foster
热网络模型
。
[0033]进一步地，所述通过有限元仿真获取所述功率芯片的结温及壳温，包括：
[0034]根据
IGBT
模块的三维尺寸参数及热特性参数搭建所述
IGBT
模块的三维实体模型；
[0035]将所述三维实体模型通过网格划分生成有限元仿真模型；
[0036]将预先设定的功率芯片之外的芯片的损耗功率及散热条件加入所述有限元仿真模型，生成第二传热模型；
[0037]通过所述第二传热模型提取所述功率芯片的结温及壳温...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法，其特征在于，包括：根据
IGBT
模块的初始
Cauer
热网络模型及
IGBT
模块中各层材料的热扩散角创建
IGBT
模块的考虑热扩散角的优化
Cauer
热网络模型；通过有限元仿真创建考虑所述
IGBT
模块中功率芯片之外的芯片对所述功率芯片的热耦合的
Foster
热网络模型；根据发生热耦合的材料层，将所述
Foster
热网络模型线性加入所述优化
Cauer
热网络模型，得到考虑热耦合及热扩散角的热网络模型；根据所述考虑热耦合及热扩散角的热网络模型预测功率芯片的结温
。2.
根据权利要求1所述的考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法，其特征在于，所述根据
IGBT
模块的初始
Cauer
热网络模型及
IGBT
模块中各层材料的热扩散角创建
IGBT
模块的考虑热扩散角的优化
Cauer
热网络模型，包括：根据
IGBT
模块的三维尺寸参数及热特性参数创建所述初始
Cauer
热网络模型；根据
IGBT
模块的热流密度
、
功率芯片的损耗功率及
IGBT
模块中各层材料的厚度计算所述
IGBT
模块中各层材料的热扩散角；根据所述热扩散角优化所述初始
Cauer
热网络模型，生成所述优化
Cauer
热网络模型
。3.
根据权利要求2所述的考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法，其特征在于，所述根据
IGBT
模块的三维尺寸参数及热特性参数创建所述初始
Cauer
热网络模型，包括：获取所述
IGBT
模块的三维尺寸参数及热特性参数；根据所述三维尺寸参数及所述热特性参数生成所述初始
Cauer
热网络模型
。4.
根据权利要求2所述的考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法，其特征在于，所述根据
IGBT
模块的热流密度
、
功率芯片的损耗功率及
IGBT
模块中各层材料的厚度计算所述
IGBT
模块中各层材料的热扩散角，包括：通过有限元仿真获取所述
IGBT
模块的热流密度；根据所述热流密度及所述功率芯片的损耗功率生成
IGBT
模块中各层材料的有效导热半径；根据所述有效导热半径生成所述热扩散角
。5.
根据权利要求4所述的考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法，其特征在于，所述通过有限元仿真获取所述
IGBT
模块的热流密度，包括：根据所述三维尺寸参数及所述热特性参数搭建所述
IGBT
模块的三维实体模型；将所述三维实体模型通过网格划分生成有限元仿真模型；将预先设定的功率芯片的损耗功率及散热条件加入所述有限元仿真模型，生成第一传热模型；通过所述第一传热模型提取所述热流密度
。6.
根据权利要求2所述的考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法，其特征在于，所述根据所述热扩散角优化所述初始
Cauer
热网络模型，生成所述优化
Cauer
热网络模型，包括：根据
IGBT
模块中各层材料的有效导热半径及所述
IGBT
模块中各层材料的热扩散角生成
IGBT
模块中各层材料的有效导热面积；根据所述有效导热面积优化所述初始
Cauer
热网络模型，生成所述优化
Cauer
热网络模型
。
7.
根据权利要求1所述的考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法，其特征在于，所述通过有限元仿真创建考虑所述
IGBT
模块中功率芯片之外的芯片对所述功率芯片的热耦合的
Foster
热网络模型，包括：通过有限元仿真获取所述功率芯片的结温及壳温；根据功率芯片之外的芯片的损耗功率
、
所述结温及所述壳温，生成所述
Foster
热网络模型
。8.
根据权利要求7所述的考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法，其特征在于，所述通过有限元仿真获取所述功率芯片的结温及壳温，包括：根据
IGBT
模块的三维尺寸参数及热特性参数搭建所述
IGBT
模块的三维实体模型；将所述三维实体模型通过网格划分生成有限元仿真模型；将预先设定的功率芯片之外的芯片的损耗功率及散热条件加入所述有限元仿真模型，生成第二传热模型；通过所述第二传热模型提取所述功率芯片的结温及壳温
。9.
根据权利要求1所述的考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法，其特征在于，所述根据发生热耦合的材料层，将所述
Foster
热网络模型线性加入所述优化
Cauer
热网络模型，得到考虑热耦合及热扩散角的热网络模型，包括：根据发生热耦合的响应时间确定所述发生热耦合的材料层；在所述材料层的所述优化
Cauer
热网络模型的结温节点处线性加入所述
Foster
热网络模型
。10.
根据权利要求9所述的考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法，其特征在于，所述根据发生热耦合的响应时间确定所述发生热耦合的材料层，包括：获取发生热耦合的响应时间；将所述
Foster
热网络模型分别线性加入
IGBT
模块的每个材料层，生成每个材料层加入
Foster
热网络模型的响应时间；将所述发生热耦合的响应时间与所述每个材料层加入
Foster
热网络模型的响应时间对比，确定所述发生热耦合的材料层
。11.
根据权利要求1所述的考虑热耦合及热扩散角的结温预测方法，其特征在于，所述根据所述考虑热耦合及热扩散角的热网络模型预测功率芯片的结温，包括：在
MATLAB
中使用
Simulink
对所述考虑热耦合及热扩散角的热网络模型进行电路级仿真，根据功率芯片的损耗功率预测功率芯片的结温
。12.
一种考虑热耦合及热扩散角的结温预测装置，其特征在于，包括：优化模型创建单元，用于根据
IGBT
模块的初始
Cauer
热网络模型及
IGBT
模块中各层材料的热扩散角创建
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王为介，谢望玉，刘伟志，李岩磊，殷振环，周宇豪，夏石冲，卓丛林，张波，杨伟君，曹宏发，赵红卫，王瑞，孙鸿超，雍淋金，葛兴来，
申请(专利权)人：北京纵横机电科技有限公司中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所铁科纵横，
类型：发明
国别省市：