基于電-熱耦合模型的IGBT模塊結(jié)溫計(jì)算方法

李玲玲，許亞恵，李志剛

（河北工業(yè)大學(xué)電磁場與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300130）

基于電-熱耦合模型的IGBT模塊結(jié)溫計(jì)算方法

李玲玲，許亞恵，李志剛

（河北工業(yè)大學(xué)電磁場與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300130）

溫度循環(huán)下的疲勞累計(jì)損傷是IGBT模塊失效的主要原因，計(jì)算IGBT模塊的結(jié)溫對預(yù)測其壽命具有重要意義。為了研究IGBT模塊工作過程中結(jié)溫變化情況，首先通過計(jì)算IGBT和FWD的功率損耗建立了IGBT模塊電模型，然后在分析IGBT模塊熱傳導(dǎo)方式的基礎(chǔ)上建立了IGBT模塊熱模型，進(jìn)而基于電模型和熱模型建立了IGBT模塊的電-熱耦合模型，最后以三相橋式逆變器為例對IGBT和FWD的結(jié)溫進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，由于IGBT和FWD處于開關(guān)狀態(tài)，兩者的結(jié)溫波形均呈波動形狀，且波動均值經(jīng)過短時(shí)間上升后穩(wěn)定于一恒定值，所以逆變器用IGBT模塊開始工作后經(jīng)短時(shí)間的熱量積累最終達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)；由于IGBT的開關(guān)損耗比FWD大，使得IGBT結(jié)溫受開關(guān)頻率的影響較大。

IGBT模塊；結(jié)溫；功率損耗；電-熱耦合模型

絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）綜合了雙極型三極管和絕緣柵型場效應(yīng)管兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、導(dǎo)通壓降低和載流密度大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、交通運(yùn)輸及家用電器等關(guān)鍵領(lǐng)域，故IGBT的可靠性問題成為研究熱點(diǎn)。因IGBT模塊內(nèi)部各層材料的熱膨脹系數(shù)不同［1］，工作中IGBT模塊在功率循環(huán)波動下內(nèi)部相互連接處熱機(jī)械應(yīng)力不同，長期承受功率循環(huán)最終導(dǎo)致器件失效，故研究IGBT結(jié)溫計(jì)算方法對評估其工作狀態(tài)具有重要意義［2］。

IGBT結(jié)溫獲取方法［3］主要有：熱傳感器測量法［4-5］、紅外探測法［6-7］、電參數(shù)間接測量法［8-11］、迭代數(shù)值計(jì)算方法［12］電-熱耦合仿真分析法［13-15］。熱傳感器測量法屬于接觸式測溫，會帶來一定接觸應(yīng)力，而且響應(yīng)速度慢，不能實(shí)時(shí)測溫；紅外探測法雖屬于非接觸式測量，不僅可以獲得整個(gè)芯片表面優(yōu)點(diǎn)的溫度分布及鍵合引線溫度的動態(tài)變化過程，而且可以實(shí)時(shí)測量，但測量設(shè)備必須為高速紅外設(shè)備，價(jià)格昂貴；電參數(shù)法可實(shí)現(xiàn)溫度的在線測量，但該方法是對IGBT結(jié)溫的粗略估算，測量精度低；電-熱耦合仿真分析法主要根據(jù)其電氣特性和傳熱特性建立電-熱耦合模型，不僅能預(yù)測IGBT的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫，也能預(yù)測IGBT的瞬態(tài)結(jié)溫，因此該方法應(yīng)用較為廣泛。

1 IGBT模塊電模型

三相橋式逆變電路如圖1所示，詳細(xì)介紹電-熱耦合模型的建立過程，逆變器采用雙極型SPWM線性調(diào)制方式，開關(guān)頻率為fsw，調(diào)制波頻率為f，負(fù)載為感性，調(diào)制波為Ur，IGBT模塊型號為宏微公司的MMG75S120B6HN。

圖1 三相橋式逆變電路Fig.1 Three-phase six legs inverter circuit

三相逆變電路結(jié)構(gòu)對稱，U、V、W三相IGBT和反并聯(lián)二極管FWD的電流、電壓波形僅存在相位差，故只需要對單個(gè)IGBT與FWD進(jìn)行損耗分析即可。IGBT模塊的功率損耗包括IGBT的功率損耗PI和FWD的功率損耗PD兩部分,由于IGBT的截止損耗，F(xiàn)WD的截止損耗和開通損耗在總損耗中占的比例很小，所以對于IGBT僅需計(jì)算其通態(tài)損耗和開關(guān)損耗，對于FWD僅需計(jì)算其通態(tài)損耗和關(guān)斷損耗。

1.1 IGBT功率損耗

IGBT在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均功率損耗包括兩部分，即

式中；PIc為IGBT開關(guān)周期內(nèi)的平均通態(tài)損耗；PIs為IGBT開關(guān)周期內(nèi)的平均開關(guān)損耗。

由于感性負(fù)載的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于IGBT開關(guān)周期Tsw，在一個(gè)開關(guān)周期的開通時(shí)間內(nèi)負(fù)載電流可認(rèn)為恒定不變，故一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)IGBT平均通態(tài)損耗為

式中：Vce為IGBT的集射極電壓；ic為IGBT的集電極電流；δ（t）為IGBT的占空比；。

IGBT的伏安特性曲線近似為線性，則Vce可近似表示為

式中：Vceo為初始飽和壓降；rce為導(dǎo)通電阻。Vceo與rce均受溫度影響，并隨溫度線性變化，即

式中：Vceo_25℃為25℃時(shí)IGBT的初始飽和壓降；rce_25℃為25℃時(shí)IGBT的導(dǎo)通電阻；Tj,I為IGBT的結(jié)溫；KVceo，Krce分別為IGBT的初始飽和壓降與導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)。

IGBT開關(guān)時(shí)間非常短，其開通損耗和關(guān)斷損耗計(jì)算困難，一般通過器件手冊提供的額定工作狀態(tài)時(shí)開關(guān)損耗乘以相關(guān)影響因子的系數(shù)得出，則一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)IGBT的平均開關(guān)損耗可表示為

式中：EI,on（ic）與EI,off（ic）分別為IGBT集電極電流為ic時(shí)的開通能耗與關(guān)斷能耗，可根據(jù)器件手冊的EonEoff-ic曲線獲??；Kon（Rg）與Koff（Rg）分別為門極電阻Rg對IGBT開通能耗與關(guān)斷能耗的影響系數(shù)，可根據(jù)器件手冊的EonEoff-Rg曲線獲??；Udc為逆變器直流側(cè)電壓；UN和IN分別為IGBT模塊器件手冊中開關(guān)能耗的測試電壓和電流；K（Udc）為IGBT電壓系數(shù)；K（Tj,I）為 IGBT溫度系數(shù)，通常 K（Tj,I）=1+ 0.03（Tj,I-125）。

1.2 FWD功率損耗

FWD開關(guān)周期內(nèi)平均功率損耗的計(jì)算過程與IGBT開關(guān)周期內(nèi)平均功率損耗的計(jì)算過程類似，其在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均通態(tài)損耗PF_c與關(guān)斷損耗PF_s分別為

式中：VFo_25℃為25℃時(shí)FWD的初始飽和壓降；rF_25℃為25℃時(shí)FWD的導(dǎo)通電阻；Tj,F為FWD的結(jié)溫；iF為FWD的電流；KVFo與KrF分別為FWD的初始飽和壓降與導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)；EF,rr（iF）為FWD電流為iF時(shí)FWD的關(guān)斷能耗，可根據(jù)器件手冊的Erec-iF曲線獲??；KF（Rg）為門極電阻Rg對FWD關(guān)斷能耗的影響系數(shù)，可根據(jù)器件手冊的Erec-Rg曲線獲取。

2 IGBT模塊的熱模型

目前，研究人員大多采用 Foster熱網(wǎng)絡(luò)和Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型對IGBT的結(jié)溫進(jìn)行計(jì)算，而Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)容易獲取，應(yīng)用較為廣泛。忽略對流和輻射，僅考慮IGBT模塊豎直熱傳導(dǎo)，建立了慮散熱器熱阻抗在內(nèi)的IGBT模塊熱網(wǎng)絡(luò)模型，如圖2所示。

圖2 IGBT模塊的熱網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2 Thermal network of IGBT module

圖2中，Zth,jc_I與Zth,jc_F分別為IGBT與FWD芯片到殼的等效熱阻抗；Zth,ca為IGBT模塊殼到環(huán)境的等效熱阻抗；Ta為環(huán)境溫度。

熱阻抗曲線可近似表示為

根據(jù)式（9）運(yùn)用Matlab軟件對器件的瞬態(tài)熱阻抗曲線進(jìn)行擬合便可提取Foster熱網(wǎng)絡(luò)的熱阻、熱容參數(shù)［16］，MMG75S120B6HN型IGBT模塊的等效熱網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)如表1所示。

表1 IGBT模塊的熱參數(shù)Tab.1 Thermal parameters of the IGBT module

3 IGBT模塊的結(jié)溫仿真

3.1 基于電-熱耦合模型的IGBT模塊結(jié)溫仿真

根據(jù)上述結(jié)溫計(jì)算方法，基于Matlab平臺搭建IGBT模塊的結(jié)溫仿真模型，仿真參數(shù)為：Udc= 600 V，Ur=0.8 sin（100πt），Ta=298.15 K，fsw=8 kHz，f=50 Hz，IGBT和FWD的結(jié)溫仿真結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

由圖3（a）、4（a）可見，IGBT和FWD的結(jié)溫均是呈波動形狀，且波動均值經(jīng)過短時(shí)間上升后穩(wěn)定于一恒定值。這是由于IGBT模塊開始工作后功率損耗大于散熱功率，IGBT和FWD結(jié)溫波動上升，工作一段時(shí)間后IGBT模塊功率損耗與散熱功率趨于穩(wěn)定，IGBT和FWD結(jié)溫最終圍繞一結(jié)溫均值上下等幅振動；逆變器中IGBT和FWD處于開關(guān)狀態(tài)，一個(gè)輸出周期內(nèi)的開關(guān)過程及通態(tài)狀態(tài)兩者產(chǎn)生的功率損耗使得結(jié)溫上升，而在關(guān)斷狀態(tài)兩者的功率損耗可以忽略不計(jì)，結(jié)溫下降。由圖3（b）、4（b）可見一個(gè)輸出周期內(nèi)IGBT和FWD結(jié)溫上升速度比下降速度快，這是由于IGBT模塊開關(guān)損耗較大，IGBT和FWD結(jié)溫快速上升，而IGBT模塊的散熱功率小，IGBT和FWD結(jié)溫緩慢下降。

圖3 IGBT結(jié)溫仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of IGBT junction temperature

圖4 FWD結(jié)溫仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of FWD junction temperature

3.2 開關(guān)頻率對IGBT模塊結(jié)溫的影響

在第3.1節(jié)仿真條件下，改變開關(guān)頻率fsw分別為4 kHz、16 kHz，IGBT和FWD的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 fsw=4 kHz時(shí)IGBT模塊結(jié)溫仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of IGBT module junction temperature with fsw=4 kHz

為分析開關(guān)頻率對IGBT模塊結(jié)溫的影響，計(jì)算不同開關(guān)頻率下IGBT和FWD的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫均值Tm和穩(wěn)態(tài)結(jié)溫波動幅度ΔT，結(jié)果如表2所示。

圖6 fsw=16 kHz時(shí)IGBT模塊結(jié)溫仿真結(jié)果Fig.6 Simulated results of IGBT module junction temperature with fsw=16 kHz

由表2可知，IGBT和FWD的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫均值Tm和穩(wěn)態(tài)結(jié)溫波動幅度ΔT均隨開關(guān)頻率的增大而增大。開關(guān)頻率為4 kHz或8 kHz時(shí)，IGBT的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫均值Tm和穩(wěn)態(tài)結(jié)溫波動幅度ΔT比FWD??；開關(guān)頻率為16 kHz時(shí)，IGBT的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫均值Tm和穩(wěn)態(tài)結(jié)溫波動幅度ΔT比FWD的大，所以IGBT的結(jié)溫受開關(guān)頻率的影響較大，這主要由于IGBT開關(guān)損耗比FWD的大造成。

表2 不同開關(guān)頻率下IGBT和FWD的Tm和ΔTTab.2 The Tmand ΔT of IGBT and FWD with different switching frequencies K

4 結(jié)論

以三相橋式逆變器為例通過計(jì)算IGBT模塊功率損耗和分析其熱傳導(dǎo)方式建立了電-熱耦合模型，仿真分析了逆變器中IGBT和FWD結(jié)溫變化情況，結(jié)論如下：

（1）IGBT模塊開始工作后功率損耗大于散熱功率，IGBT和FWD結(jié)溫波動上升，工作一段時(shí)間后IGBT模塊功率損耗與散熱功率趨于穩(wěn)定，IGBT和FWD結(jié)溫最終圍繞一結(jié)溫均值上下等幅振動。

（2）IGBT和FWD的結(jié)溫波形均是呈波動形狀，即IGBT和FWD在一個(gè)輸出周期內(nèi)的半個(gè)周期工作產(chǎn)生功率損耗，兩者結(jié)溫均上升；在另半個(gè)周期截止，幾乎不產(chǎn)生功率損耗，兩者結(jié)溫均下降；且由于IGBT模塊損耗功率大于散熱功率，IGBT和FWD在一個(gè)輸出周期內(nèi)結(jié)溫的上升速度比下降速度快。

（3）由于IGBT的開關(guān)損耗比FWD大，使得IGBT結(jié)溫比FWD結(jié)溫受開關(guān)頻率的影響大。

［1］Lutz J.IGBT-Modules:Design for reliability［C］.The 13th IEEE Power electronics and Applications（EPE）Conference.Barcelona,2009:1-3.

［2］Tian Bo,Qiao Wei,Wang Ze,et al.Monitoring IGBT’s health condition via junction temperature variations［C］.Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC）,2014 Twenty-Ninth Annual IEEE,2014:2550-2555.

［3］陳明,胡安.IGBT結(jié)溫模擬和探測方法比對研究［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2011,15（12）:44-49.Chen Ming,Hu An.Study on the junction temperature simulation and detection method of IGBT power electronic devices［J］.Electric Machines and Control,2011,15（12）:44-49（in Chinese）.

［4］Khatir Z,Carubelli S,Lecoq F.Real-time computation of thermal constraints in multichip power electronic devices［J］.IEEE Trans on Components and Packaging Technologies,2004,27（2）:337-344.

［5］Musallam M,Johnson C M.Real-Time compact thermal model for health management of power electronics［J］.IEEE Trans on Power Electronics,2010,25（6）:1416-1425.

［6］劉賓禮,陳明,唐勇,等.IGBT芯片測溫方法與溫度分布研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,37（2）:144-148.Liu Binli,Chen Ming,Tang Yong,et al.Research on temperature measurement methods and distribution of IGBT chip［J］.Journal of Wuhan University of Science and Technology,2013,37（2）:144-148（in Chinese）.

［7］Song Fangfang,He Xiaoqi,Lai Ping,et al.The study of infrared radiation thermal imaging technology for temperature testing［C］.International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging（ICEPT-HDP）, 2012:1336-1339.

［8］Sundaramoorthy V,Bianda E,Bloch R,et al.Online estimation of IGBT junction temperature（Tj）using gate-emitter voltage（Vge）at turn-off［C］.15th European Conference on Power Electronics and Applications（EPE）,2013:1-10.

［9］Avenas Y,Dupont L.Evaluation of IGBT thermo-sensitive electrical parameters under different dissipation conditions -comparison with infrared measurements［J］.Microelectron Reliab,2012,52（11）:2617-2626.

［10］Choi U M,Blaabjerg F,Iannuzzo F,et al.Junction temperature estimation method for a 600 V,30A IGBT module during converter operation［J］.Microelectron Reliab,2015, 5（9-10）:2022-2026.

［11］杜雄,李高顯,吳軍科,等.一種用于風(fēng)電變流器可靠性評估的結(jié)溫?cái)?shù)值計(jì)算方法 ［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35（11）:2813-2821.Du Xiong,Li Gaoxian,Wu Junke,et al.A junction temperature numerical calculation method for reliability evaluation in wind power converters［J］.Proceedings of the CSEE,2015, 35（11）:2813-2821（in Chinese）.

［12］孫鵬飛,羅皓澤,董玉斐,等.基于關(guān)斷延遲時(shí)間的大功率IGBT模塊結(jié)溫提取方法研究 ［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015,35（13）:3366-3372.Sun Pengfei,Luo Haoze,Dong Yufei,et al.Junction temperature extraction of high power IGBT module based on turn-off delay time［J］.Proceedings of the CSEE,2015,35（13）:3366-3372（in Chinese）.

［13］Antonios J,Ginot N,Batard C,et al.A model reduction approach for constructing compact dynamic thermal models of IGBT-modules of inverters［J］.Microelectron Journal,2012, 43（6）:345-352.

［14］Nejadpak A,Nejadpak A,Mohammed O A.A physicsbased,dynamic electro-thermal model of silicon carbide power IGBT devices［C］.Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC）,2013 Twenty-Eighth Annual IEEE,2013:201-206.

［15］汪波,胡安,唐勇.基于電熱模型的IGBT結(jié)溫預(yù)測與失效分析［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2012,16（8）:87-93.Wang Bo,Hu An,Tang Yong.Junction temperature forecast and failure analysis of IGBT based on electro-thermal model［J］.Electric Machines and Control,2012,16（8）:87-93（in Chinese）.

［16］李輝,秦星,薛宏濤,等.雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器IGBT結(jié)溫計(jì)算與穩(wěn)態(tài)分析［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2015,19（8）:62-69.Li Hui,Qin Xing,Xue Hongtao,et al.Calculation and analysis of IGBT steady junction temperature of power converter for doubly fed wind turbine generator system［J］.Electric Machines and Control,2015,19（8）:62-69（in Chinese）.

Calculation Method of IGBT Module Junction Temperature Based on Electro-thermal Coupling Model

LI Lingling,XU Yahui,LI Zhigang
（Province-ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China）

The main reason for the failure of IGBT module is fatigue cumulative damage under temperature cycles, and the calculation of IGBT module junction temperature is of great significance to predict the lifetime of the module.In order to study the change of IGBT module junction temperature under working,the electrical model of IGBT module was established by calculating the power loss of IGBT and FWD firstly.Then,the thermal model of IGBT module was built based on the analysis of IGBT module heat conduction mode,and electro-thermal model of IGBT module was built based on the electrical model and thermal model.Finally,the junction temperature of the IGBT and FWD were simulation analysis using the three-phase bridge inverter for example.The results show that the junction temperature waveform of IGBT or FWD wave shape because IGBT works in on-off state,and the wave mean of junction temperature stability to a constant value after a short time rising,so IGBT module for inverter achieve thermal stability after short time heat accumulation.The switching loss of IGBT is larger than that of FWD,so IGBT junction temperature is greatly influenced by the switching frequency.

IGBT module;junction temperature;power loss;electro-thermal coupling model

李玲玲

李玲玲（1968-），女，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：電器可靠性及其檢測技術(shù)、電力系統(tǒng)及其自動化，E-mail：750346136 @qq.com。

許亞恵（1992-），女，碩士研究生，研究方向：電器可靠性及其檢測技術(shù)，E-mail：747991766@qq.com。

李志剛（1958-），男，通信作者，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電器可靠性及其檢測技術(shù)，電子電器，E-mail：15920401 48@qq.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.23

TN 32

A

2016-07-11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51475136）；國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015BAA09B01）；河北省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（15212117）；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E 2014202230）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51475136）;the National Sci-Tech Support Plan of China（2015BAA09B01）;Hebei Province Science and Technology Support Program（15212117）;Natural Science Foundation of Hebei Province of China（E2014202230）