基于IGBT模块的系统级应用温升测评

热设计网 2020-04-23

一：背景介绍

汽车和工业应用要求高效率，小型化，不断提升功率密度，从而对模块结温评估，提出更准确和高效的测评需求。在精准获取结温数据的基础上，调整运行载频，输出频率或功率，实现模块的高利用率和高可靠性。如下文章从模块参数测评，工况仿真，工况实测等过程实现仿真平台的校正，后续可继续扩展多工况验证。

二：仿真过程

基于额定电流100A，额定电压1200V的PIM模块，搭在22KW整机系统验证仿真和实测测评。

2.1 模块测评

目前很多工程师基于厂家提供的模块规格书参数或者曲线选取基础数据进行后续的损耗计算，比如静态Vcesat，Vf或动态的Eon，Eoff。但是有些厂家的测试数据跟实际系统应用的配置有差距，所以条件允许的情况下，建议依据系统参数重新确认相关参数。

关于静态参数，除常温和高温数值需要确认外，静态参数是否是芯片级别数据还是包含功率端子，需要特别区分。

关于动态参数，需要匹配动态测试的系统杂感，驱动电阻，系统电压，然后测试不同温度和电流下的Eon，Eoff以及Err。该款模块基于600V，100A基准，杂感45nH，Rgon=Rgoff=10Ω的配置下，测试模块常温和高温150℃的动态数据。

系统配置如下，选取额定功率22KW：

损耗计算参考Semikron公式，软件实现迭代提取。

迭代的算法如下：

最后得到损耗结果是整流芯片14w，IGBT芯片36.3w，FRD芯片7.32w，分布如下所示：

2.2 系统建模

基于系统结构，对模块，风扇，风道以及散热器等进行模型搭建，设置模块级和外部器件的仿真参数。下图分别是仿真的模型和实际采用风扇的PQ曲线。

2.3 工况仿真

基于以上2.1中的额定工况下的损耗，仿真稳态结温以及芯片的温度云图，仿真设置环境温度为27℃，仿真结果如下图所示。IGBT芯片为最高结温点，最高为76.56℃，温升49.56.℃。假设夏季环境温度40℃情况下，额定工况下，模块最高温度达到89.56℃，相对于模块150℃的Tjop工作点，还有很多的裕量。

以上软件仿真实现了模块的稳态结温仿真，基于模块的平均损耗。考虑输出频率引入的损耗波动，需要考察有效值电流对应损耗波动，模块的最高结温波动。

一般我们借助平均损耗进行波形变化，然后利用热阻网络进行温度迭代，实现结温波动的计算。下图是结温波动计算过程，先将稳态损耗Pav根据基波频率转化成时间的正弦函数P(t)，然后将结合损耗和热网络，计算出结温的波动来。

仍以额定工况的IGBT部分为例，平均损耗36.3℃的情况下，计算最高结温波动。下图计算结果结温波动最高点和最低点约5℃，模块最高温度点由稳态仿真的76.56℃变为79℃左右。以上结温波形在低频输出和大损耗情况下影响更明显，极限的情况就是堵转了。

2.4 实测校正

以上结果均基于软件仿真和理论计算，是否准确需要结合实测验证。为实测芯片端结温，提前在芯片上粘贴热电偶，然后硅胶密封，确认模块整机测试的可靠性。模块上机前进行热电偶温度测试的准确性，减少误差引入，如下。

整机系统按照额定工况运行，除模块芯片上的热电偶，再模块基板边缘以及散热上同时粘贴热电偶，便于同时和仿真结果进行对比。考虑测量热响应时间，热电偶和仿真结果均以平均结温考虑。

仿真数据和实测数据偏差整体小于5%，验证了仿真平台，包含损耗计算以及仿真平台搭建的准确性。在额定工况校正的基础上，可以继续仿真1.5倍，2倍过载工况，或者不同开关频率，不同输出频率下的结温，以更好的确认设计裕量和控制策略。

关于之前基于散热温度推算结温的方法，在能够获取Rthj-n热阻的情况下，也推荐更为准确的基于NTC温度推算结温的方式。比如该案例中最高点Tjmax为76.56℃，NTC温度点为63.9℃，可以推算对应单芯片的Rthj-n为0.35℃/w，从而可以基于NTC采样数值反推结温。

但是需要注意的是，NTC需要一定的检测反应时间，低于10s的工况结温推算不推荐使用。

三：堵转评估

这类工况比较严苛，除输出电流大之外，如1.5倍的额定有效电流的峰值，对应输出频率为0，堵转相位的IGBT或者FRD的温度容易超出模块Tjop的允许范围导致器件失效。以上章节的结温仿真和结温波动计算不适用于该堵转短时极限工况。如下，在1s的堵转工况下（环温假设27℃），IGBT几乎已经达到最大结温，但是NTC仍几乎没有变化。