IGBT模块的等效热路模型

IGBT模块等效热路径模型引言半导体器件的热特性可以用不同的等效热路径模型来描述，如下所示：图1:连续网络热路径模型(也称为Cauer模型、t模型或梯形网络)连续网络热路径模型反映了具有内部热阻的半导体器件热容量的实际物理传导过程。知道设备每个层的材质特性时，可以创建此模型。但是，绘制各层材料的热地图是很麻烦的事。模块的每个层(芯片、芯片的集线器、基板、基板集线器、底板)可以用相应的单独RC单位表示。因此，每个层的内部温度可以从热路径模型的每个网络节点中获得。图23360本地网络列路径模型(Partial fraction circuit，也称为Foster模型或pi模型)与连续网络热路径模型不同，“局部网络热路径模型”(Partial fraction ciRCuit)的RC部分不再对应于每个材料层。网络节点没有物理意义。本应用程序手册使用此模型，因为系数很容易从测量的热曲线中导出，所以经常用于解释计算模块的温度分布。在本应用程序手册中，本地网络列路径模型的系数如表中的r所示。这里有一个例子：图3:本地网络热路径模型包括输入功率P(t)、shell温度Tcase和IGBT模拟模型在实际应用程序中，基板和散热器的温度并不总是假定为常量值。这是因为与散热片的时间常数相比，载入周期时间不够短，无法忽略。对于非固定工作环境，请测量Tcase(t)或将IGBT型号连接到散热器型号。考虑热导胶上述两种网络热路径模型在最坏情况下评估温度时，经常使用导热胶Rt h代替未知导热胶Zt h。但是，在本地网络热路径模型中，当阶段功率输入IGBT时，通过导热粘合剂提高温度，从而增加实际设备中不存在的连接温度。有两种方法可以避免此问题：1)测量散热片的Zth时，请务必使用基板的温度Tcase，而不要使用散热片温度Ths。在这种情况下，热导胶已经包含在散热片的温度测量中，因此无需另外考虑。2)如果IGBT已经建立，并且输入功率损耗P(t)已知，则可以直接测量基板的温度Tcase(t)，并根据图3进行计算。IGBT散热器的本地网络热路径模型或连续网络热路径模型？通常，您希望避免测量成本，而不是使用现有IGBT和散热片热参数绘制热路径模型。连续网络热路径模型和本地网络热路径模型都描述了将热从IGBT的盘柜和散热器传递到周围环境的过程。将IGBT和散热器型号组合在一起是使用哪个型号的问题。特别是IGBT和散热片的热特性单独提供时，会出现问题。连续网络热路径模型的IGBT和散热器：图4:集成连续网络热路径模型连续网络热路径模型和模型中连接的每个材料层的模型明确了传热过程的物理意义。也就是说，每个材料层按层传递热量。热流比作电路中的电流随着时间的推移到达散热片并加热。连续网络热路径模型可以由模拟或局部网络热路径模型转换。显然，通过对整个结构各层的材料分析和有限元建模仿真，可以构建模型。但是，由于散热片会影响IGBT的温度传输和相互结合，因此也会影响温度回应时间和IGBT的Rthjc，因此只能在包含特定散热片的情况下使用。如果实际散热片与模拟中使用的散热片不同，则无法模拟实际散热片。本地网络热路径模型的参数通常在数据指南中提供。这是基于测量的结果，并且可以将提供的Zthjc用作近似数据。可以将本地网络热路径模型转换为连续网络热路径模型。在此转换中，Rth/C比率存在多个Rth和C的值，在转换后新的连续网络热路径模型中的RC值和节点没有明确的物理意义。与其他连续网络热路径模型不匹配的连续网络热路径模型在转换后会产生各种错误。本地网络热路径模型的IGBT和散热器数据手册中提供的IGBT本地网络热路径模型是在使用特定散热器散热时测量的。对于风冷散热器，Rthjc在测量时更好，因为模块的热流分布很广。对于液体冷却散热片，热流量分配受到限制，因此会测量相对较高的Rthjc。阻抗使用基于水冷散热器的本地网络热路径模型，同时在数据指南中描述模块特性。也就是说，使用相对不理想的热操作条件说明模块的热特性，因此，如果模块采用这些热特性，则安全系数更高。图5:统一本地网络热路径模型由于IGBT和散热片的两个热路径网路已连接，因此PN接头的电源(比作电路中的电流)不会立即传送到散热片。因此，连接温度的上升取决于以前散热器的种类，实际上取决于模块的热容量。但是，风冷系统中散热器的时间常数远远大于IGBT本身的约1s时间常数。在这种情况下，散热片的温度上升对IGBT温度影响不大。对于液体冷却系统，这影响很大，因为液体冷却系统的热容量相对较小，即时间常数相对较低。对于IGBT基板为直接液体冷却系统的非常快液体冷却散热片，必须测量加入IGBT和散热片的整个系统的Zth。模块的传热具有耦合相互作用，因此，无论是连续网络热路径模型还是本地网络热路径模型，只要IGBT和散热器的建模和Zth测量相互独立，IGBT和散热器的连接使用可能没有问题。完全没有问题的IGBT加散热片系统的建模可以通过测量热阻Zthja获得。也就是说，同时测量通过IGBT的接头、导热胶和散热片与环境的整体热循环路径。这是建立整个系统的本地网络热路径模型。此模型可让您准确计算接头温度。下面介绍接头温度的测量原理。热阻抗曲线测量: 3.3kV模块，带140x190 m图6:基板温度测量点位置向模块传递电流会向模块添加恒定功率p，因此经过一定的瞬态时间后，模块连接温度上升到稳态固定值。关闭电源后，记录模块的冷却过程温度。在冷却过程中，向模块添加指定的测量电流(在Iref中约为1/1000 Inom)，并记录饱和传导电压或正向电压。这样，通过测量通过调整后的曲线Tj=f(VCE Iref)获得的饱和传导电压，可以获得连接温度Tj(t)。在此之前，在外部处理测试模块的均匀加热，以测量与Tj=f(VCE Iref)相反的记录曲线VCE=f(Tj Iref)。图7:修正曲线，模块连接温度通过指定电流测量饱和传导压降，然后由修正曲线确定IGBT和二极管下方的基板温度(参见红色标记)通过压力传感器测量。基板平均温度Tcase，用于分别计算二极管和IGBT芯片的ZT hjc=(TJ-Tcase)/p。温度测量时，数据的非均匀性和离散性必须在安全容差范围内。从模块表面到散热器的热阻可以通过对散热器上三个蓝色点的测量来计算。但是