基于IGBT模塊的系統級應用溫升測評

熱設計網 2020-04-23

一：背景介紹

汽車和工業應用要求高效率，小型化，不斷提升功率密度，從而對模塊結溫評估，提出更準確和高效的測評需求。在精準獲取結溫數據的基礎上，調整運行載頻，輸出頻率或功率，實現模塊的高利用率和高可靠性。如下文章從模塊參數測評，工況仿真，工況實測等過程實現仿真平臺的校正，后續可繼續擴展多工況驗證。

二：仿真過程

基于額定電流100A，額定電壓1200V的PIM模塊，搭在22KW整機系統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格書參數或者曲線選取基礎數據進行后續的損耗計算，比如靜態Vcesat，Vf或動態的Eon，Eoff。但是有些廠家的測試數據跟實際系統應用的配置有差距，所以條件允許的情況下，建議依據系統參數重新確認相關參數。

關于靜態參數，除常溫和高溫數值需要確認外，靜態參數是否是芯片級別數據還是包含功率端子，需要特別區分。

關于動態參數，需要匹配動態測試的系統雜感，驅動電阻，系統電壓，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，雜感45nH，Rgon=Rgoff=10Ω的配置下，測試模塊常溫和高溫150℃的動態數據。

系統配置如下，選取額定功率22KW：

損耗計算參考Semikron公式，軟件實現迭代提取。

迭代的算法如下：

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

2.2 系統建模

基于系統結構，對模塊，風扇，風道以及散熱器等進行模型搭建，設置模塊級和外部器件的仿真參數。下圖分別是仿真的模型和實際采用風扇的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，仿真穩態結溫以及芯片的溫度云圖，仿真設置環境溫度為27℃，仿真結果如下圖所示。IGBT芯片為最高結溫點，最高為76.56℃，溫升49.56.℃。假設夏季環境溫度40℃情況下，額定工況下，模塊最高溫度達到89.56℃，相對于模塊150℃的Tjop工作點，還有很多的裕量。

以上軟件仿真實現了模塊的穩態結溫仿真，基于模塊的平均損耗。考慮輸出頻率引入的損耗波動，需要考察有效值電流對應損耗波動，模塊的最高結溫波動。

一般我們借助平均損耗進行波形變化，然后利用熱阻網絡進行溫度迭代，實現結溫波動的計算。下圖是結溫波動計算過程，先將穩態損耗Pav根據基波頻率轉化成時間的正弦函數P(t)，然后將結合損耗和熱網絡，計算出結溫的波動來。

仍以額定工況的IGBT部分為例，平均損耗36.3℃的情況下，計算最高結溫波動。下圖計算結果結溫波動最高點和最低點約5℃，模塊最高溫度點由穩態仿真的76.56℃變為79℃左右。以上結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了。

2.4 實測校正

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

整機系統按照額定工況運行，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，便于同時和仿真結果進行對比。考慮測量熱響應時間，熱電偶和仿真結果均以平均結溫考慮。

仿真數據和實測數據偏差整體小于5%，驗證了仿真平臺，包含損耗計算以及仿真平臺搭建的準確性。在額定工況校正的基礎上，可以繼續仿真1.5倍，2倍過載工況，或者不同開關頻率，不同輸出頻率下的結溫，以更好的確認設計裕量和控制策略。

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

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

三：堵轉評估

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