基于IGBT模塊的系統(tǒng)級應(yīng)用溫升測評

熱設(shè)計網(wǎng) 2020-04-23

一：背景介紹

汽車和工業(yè)應(yīng)用要求高效率，小型化，不斷提升功率密度，從而對模塊結(jié)溫評估，提出更準(zhǔn)確和高效的測評需求。在精準(zhǔn)獲取結(jié)溫數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，調(diào)整運行載頻，輸出頻率或功率，實現(xiàn)模塊的高利用率和高可靠性。如下文章從模塊參數(shù)測評，工況仿真，工況實測等過程實現(xiàn)仿真平臺的校正，后續(xù)可繼續(xù)擴(kuò)展多工況驗證。

二：仿真過程

基于額定電流100A，額定電壓1200V的PIM模塊，搭在22KW整機(jī)系統(tǒng)驗證仿真和實測測評。

2.1 模塊測評

目前很多工程師基于廠家提供的模塊規(guī)格書參數(shù)或者曲線選取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的損耗計算，比如靜態(tài)Vcesat，Vf或動態(tài)的Eon，Eoff。但是有些廠家的測試數(shù)據(jù)跟實際系統(tǒng)應(yīng)用的配置有差距，所以條件允許的情況下，建議依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)重新確認(rèn)相關(guān)參數(shù)。

關(guān)于靜態(tài)參數(shù)，除常溫和高溫數(shù)值需要確認(rèn)外，靜態(tài)參數(shù)是否是芯片級別數(shù)據(jù)還是包含功率端子，需要特別區(qū)分。

關(guān)于動態(tài)參數(shù)，需要匹配動態(tài)測試的系統(tǒng)雜感，驅(qū)動電阻，系統(tǒng)電壓，然后測試不同溫度和電流下的Eon，Eoff以及Err。該款模塊基于600V，100A基準(zhǔn)，雜感45nH，Rgon=Rgoff=10Ω的配置下，測試模塊常溫和高溫150℃的動態(tài)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)配置如下，選取額定功率22KW：

損耗計算參考Semikron公式，軟件實現(xiàn)迭代提取。

迭代的算法如下：

最后得到損耗結(jié)果是整流芯片14w，IGBT芯片36.3w，FRD芯片7.32w，分布如下所示：

2.2 系統(tǒng)建模

基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對模塊，風(fēng)扇，風(fēng)道以及散熱器等進(jìn)行模型搭建，設(shè)置模塊級和外部器件的仿真參數(shù)。下圖分別是仿真的模型和實際采用風(fēng)扇的PQ曲線。

2.3 工況仿真

基于以上2.1中的額定工況下的損耗，仿真穩(wěn)態(tài)結(jié)溫以及芯片的溫度云圖，仿真設(shè)置環(huán)境溫度為27℃，仿真結(jié)果如下圖所示。IGBT芯片為最高結(jié)溫點，最高為76.56℃，溫升49.56.℃。假設(shè)夏季環(huán)境溫度40℃情況下，額定工況下，模塊最高溫度達(dá)到89.56℃，相對于模塊150℃的Tjop工作點，還有很多的裕量。

以上軟件仿真實現(xiàn)了模塊的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫仿真，基于模塊的平均損耗?？紤]輸出頻率引入的損耗波動，需要考察有效值電流對應(yīng)損耗波動，模塊的最高結(jié)溫波動。

一般我們借助平均損耗進(jìn)行波形變化，然后利用熱阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫度迭代，實現(xiàn)結(jié)溫波動的計算。下圖是結(jié)溫波動計算過程，先將穩(wěn)態(tài)損耗Pav根據(jù)基波頻率轉(zhuǎn)化成時間的正弦函數(shù)P(t)，然后將結(jié)合損耗和熱網(wǎng)絡(luò)，計算出結(jié)溫的波動來。

仍以額定工況的IGBT部分為例，平均損耗36.3℃的情況下，計算最高結(jié)溫波動。下圖計算結(jié)果結(jié)溫波動最高點和最低點約5℃，模塊最高溫度點由穩(wěn)態(tài)仿真的76.56℃變?yōu)?/span>79℃左右。以上結(jié)溫波形在低頻輸出和大損耗情況下影響更明顯，極限的情況就是堵轉(zhuǎn)了。

2.4 實測校正

以上結(jié)果均基于軟件仿真和理論計算，是否準(zhǔn)確需要結(jié)合實測驗證。為實測芯片端結(jié)溫，提前在芯片上粘貼熱電偶，然后硅膠密封，確認(rèn)模塊整機(jī)測試的可靠性。模塊上機(jī)前進(jìn)行熱電偶溫度測試的準(zhǔn)確性，減少誤差引入，如下。

整機(jī)系統(tǒng)按照額定工況運行，除模塊芯片上的熱電偶，再模塊基板邊緣以及散熱上同時粘貼熱電偶，便于同時和仿真結(jié)果進(jìn)行對比?？紤]測量熱響應(yīng)時間，熱電偶和仿真結(jié)果均以平均結(jié)溫考慮。

仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)偏差整體小于5%，驗證了仿真平臺，包含損耗計算以及仿真平臺搭建的準(zhǔn)確性。在額定工況校正的基礎(chǔ)上，可以繼續(xù)仿真1.5倍，2倍過載工況，或者不同開關(guān)頻率，不同輸出頻率下的結(jié)溫，以更好的確認(rèn)設(shè)計裕量和控制策略。

關(guān)于之前基于散熱溫度推算結(jié)溫的方法，在能夠獲取Rthj-n熱阻的情況下，也推薦更為準(zhǔn)確的基于NTC溫度推算結(jié)溫的方式。比如該案例中最高點Tjmax為76.56℃，NTC溫度點為63.9℃，可以推算對應(yīng)單芯片的Rthj-n為0.35℃/w，從而可以基于NTC采樣數(shù)值反推結(jié)溫。

但是需要注意的是，NTC需要一定的檢測反應(yīng)時間，低于10s的工況結(jié)溫推算不推薦使用。

三：堵轉(zhuǎn)評估

這類工況比較嚴(yán)苛，除輸出電流大之外，如1.5倍的額定有效電流的峰值，對應(yīng)輸出頻率為0，堵轉(zhuǎn)相位的IGBT或者FRD的溫度容易超出模塊Tjop的允許范圍導(dǎo)致器件失效。以上章節(jié)的結(jié)溫仿真和結(jié)溫波動計算不適用于該堵轉(zhuǎn)短時極限工況。如下，在1s的堵轉(zhuǎn)工況下（環(huán)溫假設(shè)27℃），IGBT幾乎已經(jīng)達(dá)到最大結(jié)溫，但是NTC仍幾乎沒有變化。

關(guān)于堵轉(zhuǎn)仿真，先將堵轉(zhuǎn)時的損耗計算出來，堵轉(zhuǎn)過程采用BUCK電路方式和對應(yīng)公式進(jìn)行計算。然后可以采用借助3維熱仿真軟件或者基于熱阻網(wǎng)絡(luò)的損耗迭代進(jìn)行計算下圖，下圖是采用熱網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行計算的，計算的是Rthjc溫差。

如果整機(jī)在額定工況條件下發(fā)生1.5倍電流堵轉(zhuǎn)，假定額定穩(wěn)態(tài)結(jié)溫IGBT為90℃，FRD為70℃情況。堵轉(zhuǎn)發(fā)生后，IGBT芯片溫度將提升37℃，達(dá)到127℃；FRD芯片溫度將提升24℃，達(dá)到94℃。載頻越低的情況下，IGBT的應(yīng)力會更更大。