[发明专利]一种单芯片半桥IGBT功率模块的热网络模型

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术仿真领域，更具体涉及一种单芯片半桥IGBT功率模块的热网络模型。

背景技术

近年来，随着IGBT功率模块的快速发展使其广泛应用于航天、光伏、汽车等行业，其可靠性也得到越来越多的关注。功率模块在各种工况下运行造成其结温随机波动，由于功率模块内部各层热膨胀系数的差异而产生不同方向的热应力，长期运行下，导致功率模块发生故障或失效，进而影响电力电子系统的可靠性。因此，对功率模块的寿命预测尤为重要，一方面可以及时更换以保证系统的可靠性，另一方面可以实现在功率模块的选型上留出一定的裕度以降低成本。

寿命预测需要建立电力电子系统的电热耦合模型，以获取功率模块在一定工况下的实时温度。功率模块的热网络模型是电热耦合模型中最重要的组成部分，决定了功率模块在一定损耗下的结温情况，其精确性将影响寿命预测的准确度。

目前各功率模块制造商提供的热网络模型如图1所示，包含IGBT和Diode的结-壳热阻R_th(j-c)I和R_th(j-c)D、壳-散热器热阻R_th(c-s)M、散热器-环境热阻R_th(s-a)，结合功率模块的功率损耗计算出IGBT和Diode的结温。此模型体现了当多个芯片同时工作时，功率模块的壳温由各个芯片单独工作引起壳温的增长相叠加的情况，但其认为上下桥臂的基板表面的温度相等，这种情况在水冷条件下可近似认为成立，在自然冷却情况下与实际情况不符，会导致功率模块的温度预测不正确。此外，该模型中的壳-散热器热阻Rth(c-s)M取不同运行方式下的最大值，即IGBT或者Diode单独工作时得到的热阻值，这将会导致功率模块运行于逆变器状态下的结温预测偏大。

功率模块工作在自然冷却散热条件下，各芯片的壳温并不相等，例如单个芯片工作时，该芯片壳温高于其他各芯片壳温。然而工作芯片产生的热量必然会引起其它各芯片壳温、结温的增长。这是由于热量传递时存在横向传导，如图2所示，功率模块工作时，IGBT芯片或者Diode芯片作为热源，其热量以角度α斜向下传导。由于功率模块内芯片间的距离较近，其热流路径会相互交叉，进而对彼此温度产生影响，称为芯片的温度耦合现象。

耦合现象会影响功率模块内芯片的温度，如图3所示为SPWM调制下的单相桥式逆变电路的功率模块的温度波形图，Tj和Dj分别为IGBT和Diode芯片的结温，Tc、Dc分别为IGBT与Diode芯片的壳温。研究发现在IGBT或Diode截止时其对应壳温也有所增加，在图中虚线框处，IGBT芯片的壳温在其截止时会受到Diode芯片温度的影响而产生波动；图中实线框处，Diode芯片的壳温在其截止时也受到IGBT芯片温度的影响而产生波动。

由上述实验结果分析得到，功率模块运行时各芯片壳温并不相同，且芯片间的温度会相互影响。现有的热网络模型将各芯片的壳温视为一致，未能展现这种芯片间的耦合现象，且模型中的壳-散热器热阻取值为各种运行方式如仅IGBT工作、仅Diode工作、IGBT与Diode都工作(逆变运行)下的最大值，必然导致依此模型建立的电热耦合模型预测的结温与实际情况不符，因此有必要建立一个与实际情况相符合的耦合热网络模型来精确的评估结温。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种更加准确的半桥功率模块热网络模型，此模型兼顾同一桥臂上的IGBT与Diode的耦合以及不同桥臂间芯片的耦合情况。

为实现上述目的，本发明提供的一种半桥功率模块热网络模型包括：表示IGBT芯片到基板间的热阻即IGBT结-壳热阻、表示IGBT对应位置的基板到散热器间的热阻即IGBT壳-散热器热阻、表示Diode芯片到基板间的热阻即Diode结-壳热阻，表示Diode对应位置的基板到散热器间的热阻即Diode壳-散热器热阻，表示单个桥臂对应位置的基板到散热器间的热阻即单个桥臂的散热器-环境热阻，表示上桥臂IGBT功率损耗的电流源、表示下桥臂IGBT功率损耗的电流源，表示上桥臂Diode的功率损耗的电流源、表示下桥臂Diode的功率损耗的电流源，表示环境温度的电压源，上下桥臂各芯片的结-壳热阻与壳-散热器热阻以及表示上桥臂各芯片功率损耗的电流源串联后相并联，然后再与散热器-环境热阻、表示环境温度的电压源相串联；表示单个桥臂内的IGBT与Diode的壳温的电压节点之间存在耦合热阻支路，表示上下桥臂Diode壳温的电压节点之间存在耦合热阻，表示上下桥臂对应的散热器温度的电压节点之间存在耦合热阻，热网络模型中的上下桥臂完全对称。