本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種考慮熱耦合的壓接IGBT模塊穩(wěn)態(tài)結(jié)溫預(yù)測模型。

背景技術(shù)：

基于絕緣柵雙極型晶體管IGBT的電壓源換流器已在直流輸電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。作為直流輸電系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備，電壓源換流器是影響其運(yùn)行安全性和可靠性的重要環(huán)節(jié)。IGBT模塊的結(jié)溫一方面結(jié)溫影響器件的特性及壽命，另一方面模塊內(nèi)部的熱均衡對提高其使用容量和效率有重要意義。然而，其結(jié)溫卻很難通過實(shí)驗(yàn)手段直接測量。一種普遍認(rèn)可的方法是建立其等效熱路模型，與電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速的電熱聯(lián)合仿真以預(yù)測不同工況下芯片結(jié)溫。

相對傳統(tǒng)焊接IGBT，壓接型IGBT模塊由于其雙面散熱、短路失效、高可靠性等優(yōu)良特性，對更大容量的柔直換流器有著良好的應(yīng)用前景。但同時(shí)采用多芯片緊湊布置使模塊內(nèi)芯片間相互的發(fā)熱影響比焊接IGBT已成為一個(gè)不容忽略的問題，雙面散熱的特點(diǎn)使得IGBT模塊至散熱器的散熱路徑更為復(fù)雜，散熱器流量等參數(shù)對IGBT等效熱模型參數(shù)的影響也成為了新的問題。而傳統(tǒng)應(yīng)用廠家數(shù)據(jù)手冊IGBT或Diode芯片相互獨(dú)立測試的穩(wěn)態(tài)熱阻或瞬態(tài)熱阻抗曲線建立的等效熱路模型不能反映二極管與IGBT芯片間的發(fā)熱影響，結(jié)溫估值偏低；傳統(tǒng)基于有限元仿真溫度場分析提取等效熱路模型的方法沒有考慮散熱器影響，結(jié)溫誤差較大，且不能反映實(shí)際工程中散熱條件的改變。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種考慮熱耦合的壓接IGBT模塊穩(wěn)態(tài)結(jié)溫預(yù)測模型，其特征在于，包括：

步驟一：獲取壓接型IGBT模塊及其散熱器的物理結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)，包括IGBT模塊內(nèi)部各材料層尺寸、材料導(dǎo)熱系數(shù)λ、材料比熱容C_p、材料密度ρ及廠家數(shù)據(jù)手冊的瞬態(tài)熱阻抗曲線，散熱器流道結(jié)構(gòu)、冷卻媒質(zhì)的物理特性；

步驟二：基于有限元仿真軟件建立IGBT模塊、散熱器的三維仿真模型；

步驟三：獲取考慮熱耦合的等效熱阻抗矩陣及其參數(shù)，包括熱耦合等效熱阻矩陣R_ETC形式及其結(jié)溫計(jì)算矩陣式，自熱阻R_ii、互熱阻R_ij定義式，溫度參考點(diǎn)選取，熱源逐一獨(dú)立作用獲取矩陣元素的方法；

步驟四：計(jì)算熱耦合等效熱阻矩陣參數(shù)，包括固有熱阻矩陣R₀與附加熱阻矩陣R_Q；

步驟五：基于熱耦合等效熱阻矩陣R_ETC等效變換及芯片功比-結(jié)溫曲線建立等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型。

壓接IGBT模塊與散熱器的系統(tǒng)結(jié)溫由下式得到：

其中，T_i為芯片i的結(jié)溫，P_i為芯片i的功率損耗，i＝1,2,…,n，n為芯片的總數(shù)量，T_ref為參考點(diǎn)溫度,熱耦合等效電路對應(yīng)的熱阻矩陣i≠j時(shí)，R_ij為芯片i的自熱阻Rii和芯片i與芯片j的耦合熱阻即互熱阻，j＝1,2,…,n，T_j為芯片j的結(jié)溫，P_j為芯片j的功率損耗；i＝j(luò)時(shí)，R_ij即R_ii為芯片i的自熱阻，計(jì)算得到矩陣R全部元素。

所述熱耦合等效熱阻陣R_ETC為一個(gè)不隨散熱器流量變化的固有熱阻矩陣R₀與一個(gè)由散熱器流量決定的附加熱阻矩陣R_Q之和：

R_ETC＝R₀+R_Q

對流換熱熱阻R_conv與流量Q關(guān)系滿足R_conv∝Q^-0.747，則附加熱阻矩陣R_Q與流量Q的關(guān)系為R_Q＝R_Q0·Q^-0.747；

其中，R₀、R_Q0均為恒定矩陣，僅與IGBT和散熱器的固體材料和幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)，由任意兩個(gè)流量下R_ETC對矩各元素以Q^-0.747為變量進(jìn)行線性擬合，分別將一次項(xiàng)系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)作為附加熱阻矩陣的系數(shù)矩陣R_Q0和固有熱阻矩陣R₀的對應(yīng)元素得到。

所述基于熱耦合等效熱阻矩陣R_ETC等效變換及芯片功比-結(jié)溫曲線建立等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的過程為

設(shè)共有m個(gè)二極管芯片和n-m個(gè)IGBT芯片，n為芯片的總數(shù)量，則在芯片按類型編號后將結(jié)溫計(jì)算矩陣式重排分塊，將R_ETC化為n×2階矩陣其中R_{0_i′j′}為R₀中的第i′行第j′列的元素；R_{Q0_i′j′}為R_Q0中的第i′行第j′列的元素；

則P_D為二極管芯片的總功率損耗；P_T為IGBT芯片的總功率損耗；

結(jié)合由矩陣得到的芯片功比-結(jié)溫曲線，得出不同功比下同類芯片中最大結(jié)溫對應(yīng)的芯片，設(shè)最高結(jié)溫IGBT芯片為芯片k，最高結(jié)溫二極管芯片為芯片h，n×2矩陣進(jìn)一步化為最簡等效熱阻矩陣R_2×2，并對應(yīng)得到等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型為：

其中,R_kD為所有二極管芯片對最高結(jié)溫的二極管的總熱阻；R_kT為所有IGBT芯片對最高結(jié)溫的二極管的總熱阻；R_hD為所有二極管芯片對最高結(jié)溫的IGBT的總熱阻；R_hT為所有IGBT芯片對最高結(jié)溫的IGBT的總熱阻；T_D表示最高結(jié)溫的Diode芯片、T_T表示最高結(jié)溫的IGBT芯片。

有益效果

本發(fā)明公開的一種考慮熱耦合的參數(shù)自適應(yīng)的大功率壓接IGBT模塊的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫預(yù)測模型及其參數(shù)提取方法。針對高功率密度壓接IGBT模塊內(nèi)芯片發(fā)熱相互影響不可忽略的問題及其雙面散熱特性，基于三維模型的溫度場分析和基本電路理論，給出了建立壓接IGBT模塊考慮熱耦合及散熱器的穩(wěn)態(tài)等效熱阻網(wǎng)絡(luò)的方法，以用于芯片結(jié)溫的預(yù)測。其模型參數(shù)根據(jù)不同散熱條件進(jìn)行修正，對不同工況和散熱器流量具有普遍適用性，且利用模型對應(yīng)的等效熱耦合矩陣元素可定量分析熱耦合影響因素，為改進(jìn)等效熱RC網(wǎng)絡(luò)模型、及IGBT功率模塊、散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供相關(guān)依據(jù)，同時(shí)為壓接IGBT器件廠家提供給用戶的模型參數(shù)一個(gè)新的思路。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為某IGBT模塊與其配套散熱器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為有限元模型瞬態(tài)熱阻抗曲線與數(shù)據(jù)手冊結(jié)果對比(IGBT芯片)；

圖4為等效熱阻矩陣元素隨流量變化；

圖5為不同IGBT、二極管芯片功率損耗比下結(jié)溫分布；

圖6為改進(jìn)等效熱阻矩陣對應(yīng)熱阻網(wǎng)絡(luò)的簡化模型。

圖7a為芯片間自互熱阻隨凸臺高度變化圖，圖7b為熱耦合度隨凸臺高度變化圖；

圖8為研究芯片布局的仿真模型俯視圖；

圖9a為芯片間自互熱阻隨芯片間距變化圖，圖9b為芯片2對1的熱耦合度隨芯片間距變化圖；

圖10a為芯片間自、互熱阻隨芯片位置變化圖，圖10b為芯片2對1的熱耦合度隨芯片位置變化圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細(xì)說明。本發(fā)明提出了一種考慮熱耦合的壓接IGBT模塊穩(wěn)態(tài)結(jié)溫預(yù)測模型。圖1為本發(fā)明所述方法的流程框圖，具體實(shí)施步驟如下：

步驟一：獲取壓接型IGBT模塊及其散熱器的物理結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)，如表1與圖2所示；

表1 IGBT模塊T0360NB25A材料參數(shù)

步驟二：基于有限元仿真軟件，建立IGBT模塊三維仿真模型，并進(jìn)一步得到IGBT模塊與散熱器的三維整體仿真模型；

對模型做以下簡化：1)陶瓷管殼導(dǎo)熱率較小且模塊內(nèi)一般充有惰性氣體，可認(rèn)為各材料層側(cè)面絕熱，熱量僅通過基板向外傳遞；2)芯片、上下鉬片和陰、陽電極之間都是通過壓力直接連接，模塊的內(nèi)部熱阻除了各層材料的熱阻之外還包括各部件之間的接觸熱阻，本模型以芯片兩側(cè)的等效接觸熱阻層來模擬該接觸熱阻的作用，材料參數(shù)通過實(shí)驗(yàn)曲線分析得出。確定合適的接觸熱阻層材料后對比，有限元仿真模型得到的瞬態(tài)熱阻抗曲線與廠家的測量曲線以確定模型的準(zhǔn)確性，如圖3所示。瞬態(tài)熱阻抗Z_j-c定義式，

其中每一時(shí)刻T_j取幾個(gè)IGBT(或二極管)芯片結(jié)溫中的最大值，T_c為殼溫最大值，P為幾個(gè)IGBT(或二極管)芯片總損耗。

在上述IGBT模型的基礎(chǔ)上，使水冷散熱器上下表面與IGBT上下基板直接連接，建立模塊、散熱器的整體仿真模型。以某MMC-HVDC系統(tǒng)整流工況下某子模塊為例，設(shè)置模塊內(nèi)每只二極管芯片功率損耗為65W，每只IGBT芯片功率損耗為2W，分別在IGBT芯片或二極管芯片上施加相應(yīng)階躍熱功率，入水口為定流速、溫度控制，水流量為2L/min，入水口水溫70℃，出水口為定壓力控制，冷卻水與散熱器固體以能量守恒為約束條件建立固-液耦合。

步驟三：獲取考慮熱耦合的等效熱阻抗矩陣及其參數(shù)的一般性方法；

以有限元溫度場仿真結(jié)果為依據(jù)，分別以7個(gè)芯片為熱源單獨(dú)作用，以散熱器入水口為溫度參考點(diǎn)，按照自熱阻、互熱阻定義式，整體提取IGBT模塊和散熱器的熱耦合等效熱阻矩陣[R]_ETC。然后可根據(jù)矩陣[R]_ETC和各芯片實(shí)際功率損耗[P]，根據(jù)矩陣計(jì)算式得到特定散熱器流量下的各芯片結(jié)溫。

其中，T_i為芯片i的結(jié)溫，P_i為芯片i的功率損耗，i＝1,2,…,n，n為芯片的總數(shù)量，T_ref為參考點(diǎn)溫度,熱耦合等效電路對應(yīng)的熱阻矩陣

i≠j時(shí)，Rij為芯片i的自熱阻Rii和芯片i與芯片j的耦合熱阻即互熱阻，j＝1,2,…,n，T_j為芯片j的結(jié)溫，P_j為芯片j的功率損耗；i＝j(luò)時(shí)，R_ij即R_ii為芯片i的自熱阻，計(jì)算得到矩陣R全部元素；

步驟四：改進(jìn)的熱耦合等效熱阻矩陣參數(shù)獲取，包括固有熱阻矩陣[R₀]與附加熱阻矩陣[R_Q]；

在步驟三的基礎(chǔ)上仿真得到任意兩個(gè)流量下的等效熱耦合陣R_ETC，對矩各元素以Q^-0.747為變量進(jìn)行線性擬合，分別將一次項(xiàng)系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)作為附加熱阻矩陣R_Q0和固有熱阻矩陣R₀的對應(yīng)元素最終得到參數(shù)隨流量自適應(yīng)的改進(jìn)的熱耦合等效熱阻矩陣，根據(jù)矩陣計(jì)算式得到特定散熱器流量下的各芯片結(jié)溫。

R_ETC＝R₀+R_Q

表2對比了不同方法計(jì)算該實(shí)例中模塊內(nèi)芯片結(jié)溫的結(jié)果，已說明本發(fā)明的優(yōu)越性。

表2 不同等效模型計(jì)算芯片結(jié)溫溫升對比(℃)

注：誤差為各算法計(jì)算結(jié)溫溫升值與有限元仿真結(jié)溫溫升值的誤差

步驟五：建立等效熱阻網(wǎng)絡(luò)，基于熱耦合等效熱阻矩陣[R]_ETC等效變換及芯片功比-結(jié)溫曲線；

分析壓接IGBT模塊的特點(diǎn)，可知同類芯片(IGBT或二極管芯片)的驅(qū)動信號相同，不考慮由雜散參數(shù)引起的芯片均流問題，則同類芯片的功率損耗相同。在芯片按類型編號后，可重排分塊矩陣得到下式，

因?yàn)镻₁＝P₂＝P_D、P₃＝…＝P₇＝P_T，可將R₁₁—R₁₂、R₁₃—R₁₇合并為R_1D、R_1T，其他參數(shù)同理可得。則等效熱阻矩陣可化為7×2的矩陣，得到下式，

根據(jù)圖5給出了總損耗一定，不同功率損耗比下各芯結(jié)溫變化?？梢缘贸霾煌Ρ葧r(shí)最大結(jié)溫對應(yīng)的芯片。如當(dāng)P_IGBT小于P_Diode時(shí)，最大結(jié)溫對應(yīng)芯片為T₅和D₂，則7×2矩陣可進(jìn)一步化為[R]_{IGBT-h_2×2}。

[R]_{IGBT-h_2×2}對應(yīng)等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型見圖6。

基于熱耦合等效熱阻矩陣[R]_ETC的熱耦合影響因素分析。

熱耦合等效模型不僅可預(yù)測芯片結(jié)溫，其對應(yīng)矩陣元素還可以用于熱耦合定性分析。熱耦合度Th_couple(％)_j-i表征了對芯片i，以自身發(fā)熱引起的溫升為基準(zhǔn)，芯片j熱功率對其造成的溫升大??；

其中，R_ij·、R_ii·分別為等效熱耦合陣的互熱阻和自熱阻，P_i、P_j為芯片j、i的功率損耗。除相應(yīng)影響因素為單一變量外，芯片的功率比默認(rèn)為1。

對壓接IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)影響的分析、芯片功率損耗比的影響、水冷散熱器流量影響等因素。

(1)凸臺高度的影響

以凸臺高度為單一變量更改三維仿真模型幾何參數(shù)，使其在4.2mm至12.6mm范圍變化。以芯片1、芯片2為例分析凸臺高度對芯片間熱耦合作用的影響如圖7所示。圖7a為芯片間自互熱阻隨凸臺高度變化，圖7b為熱耦合度隨凸臺高度變化，芯片1的自熱阻、芯片2對1的互熱阻及熱耦合度均隨著凸臺高度的增加而呈近似線性增加。這說明，1)凸臺高度的增加使模塊內(nèi)熱阻整體增加，不利于模塊內(nèi)熱量的散失；2)凸臺高度越高芯片間熱耦合程度越大，即其他芯片對本芯片的熱影響越顯著，在各芯片自熱阻存在差異的情況下可利用該特性做熱的均衡設(shè)計(jì)；3)由于互熱阻所占比例的增大，單位距離凸臺高度的增加會使總熱阻增量變大。因此，在保證足夠外絕緣的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量減小凸臺的設(shè)計(jì)高度。

(2)芯片布置影響

圖8為研究芯片布局的仿真模型俯視圖，為了研究芯片布局對熱耦合影響，僅保留仿真模型芯片1、2對應(yīng)的凸臺及其他材料層。將芯片2置于基板中心，沿軸向移動芯片1以改變兩芯片間距d(變化范圍13.5mm-18.5mm)，保持芯片中心距14mm，將兩芯片整體沿軸向平移距離L(變化范圍0mm-12mm)，以研究布置位置對芯片間熱耦合的影響。

圖9a為芯片間自互熱阻隨芯片間距變化圖，圖9b為芯片2對1的熱耦合度隨芯片間距變化圖，隨著芯片間距的增加，芯片2對1的互熱阻及熱耦合度呈減小趨勢，但變化幅度較小。這說明芯片間距對模塊內(nèi)熱阻和芯片間熱耦合程度的的影響較小，而實(shí)際設(shè)計(jì)中為控制模塊的體積芯片間距變化范圍既有限，因此可忽略該因素的影響。圖10a為芯片間自、互熱阻隨芯片位置變化圖，圖10b為芯片2對1的熱耦合度隨芯片位置變化圖，隨著芯片從基板中心位置向邊緣偏移，芯片的自熱阻、芯片2對1的互熱阻均隨之增加，芯片2對1的熱耦合度基本不變。這說明越邊緣的芯片熱阻越大，但相對位置一定的兩芯片，一芯片對另一芯片溫升的貢獻(xiàn)程度僅取決于其功率比。