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IGBT热仿真模型的校准

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背景介绍

无论什么学科,什么类型的仿真模型,都会设置各种参数的数值。由于种种原因,部分参数的预估和猜测是不可避免的。但是参数的预估和猜测会导致仿真模型准确性不足,和实际物理场景不一致。由此,仿真模型得到的结果可信度会大打折扣。

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两者有多接近?


为此,提出了模型校准的概念。所谓模型校准,是通过对仿真模型的参数进行不断调整,以使仿真模型的参数和物理实际充分接近的迭代过程。

在电子热仿真中,通常涉及模型校准的是元器件级和板级的仿真。

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元器件级热仿真

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板级热仿真


通过模型校准,不仅可以提高仿真模型的可信度,也可以提高仿真模型针对不同物理场景下的可重复利用能力,得到的某些参数可以在整机和环境级分析中提供元器件相关的更准确参数。

模型是否进行过校准,其仿真结果可能会有较大差异。

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某型号芯片热仿真模型校准前后的节温比较


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模型校准前后,在第一个脉冲结束时温度分布对比


Flotherm软件可以和T3ster热阻测试仪联合应用,对模型进行校准。其校准流程如图所示。图中橙色部分为Flotherm软件操作,蓝色部分为T3Ster硬件热测试操作。

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IGBT校准案例

Part

1

仿真与测试的设置

对某型号的IGBT模型进行校准,其结构如图所示。其中,灰色部分是水冷板,黄色部分是IGBT的金属底板,白色部分是IGBT外部的树脂壳。

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去除树脂外壳后,IGBT的内部结构如图所示。其中,白色部分为IGBT芯片,浅黄色部分为基板,灰色部分为陶瓷层,橘黄色部分为金属底板。

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工况设定如下表所示,T3Ster瞬态热测试和Flotherm仿真模型采用相同设定。在仿真模型设定中,不考虑热辐射,水冷板设定为固体,其材料参数考虑水流影响,IGBT的芯片硅材料需要考虑温度对热传导系数的影响。

外界环境温度

25℃

水冷板底面温度

25℃

发热元件

IGBT芯片(部分区域)

发热功率

75W

测试时间

100s


在100s时刻,IGBT内部温度分布如图所示:
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Part

2

模型校准

STEP 1:

得到初始结果后,打开Flotherm的Command Center模块,将IGBT芯片的发热区域的尺寸、位置以及焊锡导热系数设定为变量。

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STEP 2:

在Command Center页面下打开模型校准页面,导入T3Ster的测试数据,并和仿真模型的设置信息进行对比,确认两者设定是一致的。

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STEP 3:

对模型进行校核设定,其中,DOE的参数组合数量设定为10组,需要校准的热阻范围为0至0.2 K/W。点击Design Experiment按钮创建参数组合,点击Model Calibration按钮开始进行模型校准计算。

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STEP 4:

记录程序计算出来的最优结果。

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贝思科尔实验室介绍


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贝思科尔公司和北京大学联合建设的半导体热可靠性联合实验室成立于2019年10月,位于深圳市南山区。

实验室配置:T3Ster热阻测试仪、DynTIM界面材料导热系数测试仪、Julabo温控循环仪等硬件设备,以及Flotherm、FloEFD、Flomaster、HyperLynx、Star CCM+等仿真软件。

实验室宗旨:为芯片半导体、LED、OLED、MOSFET、IGBT、IPM等领域广大客户提供测试、建模(模型校准)与仿真咨询服务。

面向行业:新能源/汽车/轨道交通、家电/通信;半导体IC、功率器件、IGBT、IPM、光电集成、OLED等。

我们的服务:
1 软硬件产品销售及技术支持服务;
2 热流仿真分析及设计顾问服务;
3 元器件的热阻、功率循环等测试服务。
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欢迎大家前来咨询、参观!!!



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