[发明专利]一种考虑散热器的IGBT模块结温计算方法

说明书

本发明涉及IGBT结温估计方法，具体为一种考虑散热器的IGBT模块结温计算方法。本发明从工程应用角度出发，针对运行工况大幅变化的大功率变流器IGBT模块，通过有限元仿真的结果，获取不同工况下FWD/IGBT芯片在导热硅脂层的耦合情况，进而获取其数学表达。综合考虑结温估计的运算资源开销、精度问题，给出考虑不同工况下IGBT芯片和FWD芯片损耗耦合情况的热网络数学模型，该数学模型结构简单、计算量小，在工程应用中可实现IGBT结温动态变化的更精确实时响应。

技术领域

本发明涉及IGBT结温估计方法，具体为一种考虑散热器的IGBT模块结温计算方法。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块作为电力电子系统中最常用的功率器件，目前已广泛应用于高速铁路、能源汽车和航空航天工业控制等领域。由于运行工况的复杂性以及长期电热应力的累积作用，IGBT模块易产生失效现象。根据研究发现，在各类失效因素中，约55％的模块失效是由温度因素诱发的，因此对IGBT结温进行准确估计对于系统的可靠性评估，健康管理以及循环寿命预测是至关重要的。

IGBT模块中通常包含多个IGBT芯片和多个FWD芯片，IGBT芯片和FWD芯片的布局以及散热器的结构决定了IGBT芯片及FWD芯片上的温度分布有高有低，这种温度不均衡分布决定了各个IGBT芯片及FWD芯片上所承受的热应力各不相同。温度高的IGBT芯片及FWD芯片所承受的热应力相对来说比较大，往往会最先损坏，损坏后其他芯片所承受的电应力会增加，进而加速IGBT模块的失效。所以，监测IGBT模块上IGBT芯片及FWD芯片的结温最高具有非常重要的意义。

IGBT芯片和FWD芯片上产生的损耗经IGBT模块向散热器传热的过程中，除了垂直方向的热传递，还存在横向的热扩散，这必然引起IGBT芯片和FWD芯片上产生的损耗在传热路径中的耦合。光学非接触测量法使用红外热成像仪等测量仪器对IGBT结温进行观测；使用红外测量仪器成本高，需对IGBT封装模块进行破壳去硅胶处理，对模块具有破坏性，不能满足实时测量需求。热敏感电参数估计法通过实时测取热敏感电参数对IGBT结温进行逆向估计，包括小电流饱和压降法、驱动电压降差比法和开关瞬态过程感应电压法；对于热敏感电参数，采集的电信号较微弱，易受电磁干扰，需额外的辅助测试仪器，成本高。有限元模型估计法搭建IGBT模块和散热器三维模型，利用有限元仿真方法获取结温；有限元仿真方法，对于复杂结构的IGBT模块和冷却系统，三维建模时间长，对于长时间尺度的功耗载荷，需耗费大量的计算时间和成本，仿真效率不高。

发明内容

本发明从提高IGBT模块结温计算的效率和精度出发，从工程实际应用角度解决了以下方面的问题：(1)构建考虑热耦合作用的改进IGBT模块热网络模型；(2)揭示不同工况下IGBT芯片损耗与FWD芯片损耗的耦合规律；(3)给出以IGBT模块+导热硅脂+散热器结构，通过有限元仿真提取热网络模型参数，实现IGBT模块中IGBT芯片和FWD芯片的最大结温动态响应计算。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种考虑散热器的IGBT模块结温计算方法，搭建IGBT芯片、FWD芯片最大结温热网络模型，根据该热网络模型，IGBT芯片结温T_{j_igbt}计算公式如下：

T_{j_igbt}＝ΔT_{jc_igbt}+ΔT_{grease_igbt}+ΔT_{plate_igbt}+T_a，

其中，T_{j_igbt}：IGBT芯片的最大结温；ΔT_{jc_igbt}：结温最高IGBT芯片结到壳的温升；ΔT_{grease_igbt}：结温最高IGBT芯片对应导热硅脂层温升；ΔT_{plate_igbt}：结温最高IGBT芯片对应散热器温升；T_a：散热器冷却介质入口温度；

FWD芯片结温T_{j_fwd}计算公式如下：