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(duì)模塊結(jié)溫評(píng)估，提出更準(zhǔn)確和高效的測(cè)評(píng)需求。在精準(zhǔn)獲取結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，調(diào)整運(yùn)行載頻，輸出頻率或功率，實(shí)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(cè)評(píng)，工況仿真，工況實(shí)測(cè)等過(guò)程實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)的校正，后續(xù)可繼續(xù)擴(kuò)展多工況驗(yàn)證。
二：仿真過(guò)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(yàn)證仿真和實(shí)測(cè)測(cè)評(píng)。
2.1 模塊測(cè)評(píng)
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(jì)算，比如靜態(tài)Vcesat，Vf或動(dòng)態(tài)的Eon，Eoff。但是有些廠家的測(cè)試數(shù)據(jù)跟實(shí)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?cái)?shù)值需要確認(rèn)外，靜態(tài)參數(shù)是否是芯片級(jí)別數(shù)據(jù)還是包含功率端子，需要特別區(qū)分。
關(guān)于動(dòng)態(tài)參數(shù)，需要匹配動(dòng)態(tài)測(cè)試的系統(tǒng)雜感，驅(qū)動(dòng)電阻，系統(tǒng)電壓，然后測(cè)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(cè)試模塊常溫和高溫150℃的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)配置如下，選取額定功率22KW：
損耗計(jì)算參考Semikron公式，軟件實(shí)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(duì)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(jí)和外部器件的仿真參數(shù)。下圖分別是仿真的模型和實(shí)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(diǎn)，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(duì)于模塊150℃的Tjop工作點(diǎn)，還有很多的裕量。
以上軟件仿真實(shí)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(dòng)，需要考察有效值電流對(duì)應(yīng)損耗波動(dòng)，模塊的最高結(jié)溫波動(dòng)。
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(shí)現(xiàn)結(jié)溫波動(dòng)的計(jì)算。下圖是結(jié)溫波動(dòng)計(jì)算過(guò)程，先將穩(wěn)態(tài)損耗Pav根據(jù)基波頻率轉(zhuǎn)化成時(shí)間的正弦函數(shù)P(t)，然后將結(jié)合損耗和熱網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算出結(jié)溫的波動(dòng)來(lái)。
仍以額定工況的IGBT部分為例，平均損耗36.3℃的情況下，計(jì)算最高結(jié)溫波動(dòng)。下圖計(jì)算結(jié)果結(jié)溫波動(dòng)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)約5℃，模塊最高溫度點(diǎn)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(shí)測(cè)校正
以上結(jié)果均基于軟件仿真和理論計(jì)算，是否準(zhǔn)確需要結(jié)合實(shí)測(cè)驗(yàn)證。為實(shí)測(cè)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(cè)試的可靠性。模塊上機(jī)前進(jìn)行熱電偶溫度測(cè)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(yùn)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(shí)粘貼熱電偶，便于同時(shí)和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比?？紤]測(cè)量熱響應(yīng)時(shí)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏差整體小于5%，驗(yàn)證了仿真平臺(tái)，包含損耗計(jì)算以及仿真平臺(tái)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(guò)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(jì)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(diǎn)Tjmax為76.56℃，NTC溫度點(diǎn)為63.9℃，可以推算對(duì)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(cè)反應(yīng)時(shí)間，低于10s的工況結(jié)溫推算不推薦使用。
三：堵轉(zhuǎn)評(píng)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(duì)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(dòng)計(jì)算不適用于該堵轉(zhuǎn)短時(shí)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(shí)的損耗計(jì)算出來(lái)，堵轉(zhuǎn)過(guò)程采用BUCK電路方式和對(duì)應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)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(jì)算下圖，下圖是采用熱網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行計(jì)算的，計(jì)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(huì)更更大。
四：總結(jié)
本文結(jié)合仿真和實(shí)測(cè)，有效評(píng)估模塊結(jié)溫的方法，在損耗計(jì)算和仿真平臺(tái)得到矯正的情況下，可以仿真不同工況和極限工況下的模塊結(jié)溫，NTC以及周邊溫度，更加準(zhǔn)確的評(píng)估模塊的結(jié)溫，更靈活控制實(shí)現(xiàn)模塊的高效應(yīng)用。
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