適用于器件級到系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型

劉賓禮 羅毅飛 肖 飛 汪 波

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室 武漢 430033）

適用于器件級到系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型

劉賓禮 羅毅飛 肖 飛 汪 波

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室 武漢 430033）

提出一種基于器件到系統(tǒng)的等級與傳熱網(wǎng)絡結構本身的多時間尺度特征建立絕緣柵雙極型晶閘管（IGBT）傳熱模型的建模方法。基于熱傳導理論和經(jīng)典Cauer傳熱RC網(wǎng)絡結構，建立IGBT傳熱網(wǎng)絡結構模型，查明單層與多層熱網(wǎng)絡結構的結溫運行規(guī)律以及簡化標準與方法。在此基礎上，以器件到系統(tǒng)對IGBT傳熱模型的不同需求為主線，以器件封裝結構各層時間常數(shù)的不同時間尺度為切入點，建立適用于器件級到系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型。仿真與實驗結果驗證了模型的正確性與高效性。所建立的IGBT傳熱模型對于查明IGBT器件的傳熱網(wǎng)絡結構特征與結溫運行規(guī)律，實現(xiàn)電力電子器件到系統(tǒng)的獨立與聯(lián)合仿真具有一定的理論意義和應用價值。

傳熱網(wǎng)絡模型 結溫運行規(guī)律 器件到系統(tǒng) 模型精度 模型效率

0 引言

準確、高效的仿真模型是完成虛擬仿真、實現(xiàn)精確設計、指導實際應用等功能的重要基礎。在電力電子電能變換領域、不同設計階段和應用背景下，對仿真模型的特性、精度和仿真速度有著不同要求。因此，根據(jù)需求提供滿足一定要求的仿真模型是建模工作的關鍵。對于絕緣柵雙極型晶閘管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）器件傳熱模型環(huán)節(jié)，依據(jù)電力電子器件到系統(tǒng)的級別，對IGBT器件傳熱模型的需求可以劃分為器件級、組件級和系統(tǒng)級，如圖1所示。器件級到系統(tǒng)級熱仿真對于IGBT器件傳熱模型的需求為仿真精度逐漸降低、仿真速度逐漸提高。器件級熱仿真需要IGBT傳熱模型能夠?qū)π酒Y溫的運行規(guī)律、封裝結構不同層溫度及不同層之間的動力學作用效應進行仿真，并要求精度高；組件級熱仿真需要IGBT傳熱模型能夠?qū)π酒Y溫運行規(guī)律進行仿真，但相對于器件級仿真來說，仿真精度降低、仿真速度提高；而對于系統(tǒng)級熱仿真只需IGBT傳熱模型能夠?qū)ζ渥罡呓Y溫進行仿真，以指導散熱和結構設計等，對于IGBT結溫運行規(guī)律和開關瞬態(tài)過程要求低，并且要求仿真速度更快。所以依據(jù)上述特點與需求建立IGBT傳熱模型，對于說明傳熱作用機理與規(guī)律、提高模型仿真效率與適用性、實現(xiàn)快速有效的結溫仿真與計算至關重要。

圖1 電力電子器件到系統(tǒng)不同等級對IGBT傳熱模型的仿真需求Fig.1 Simulation requirements of power electronics device to system for IGBT thermal model

當前關于經(jīng)典RC傳熱網(wǎng)絡模型的研究報道很多，主要針對如何實現(xiàn)IGBT結溫規(guī)律仿真開展研究。文獻[1-5]分別建立了IGBT熱網(wǎng)絡與損耗模型。文獻[6-9]在建立熱網(wǎng)絡模型的基礎上，研究了參數(shù)提取問題。文獻[10-12]對多芯片IGBT模塊熱模型及多場耦合問題進行了研究。文獻[13]通過分析IGBT模塊的封裝類型并獲取結構參數(shù)，建立了IGBT模塊Cauer熱網(wǎng)絡結構的行為模型，用于對芯片結溫進行模擬仿真。文獻[14]基于IGBT模塊的Foster網(wǎng)絡結構，考慮電力電子系統(tǒng)的基本結構，提出了IGBT模塊的溫度估計方法。文獻[15]通過考慮單個模塊的芯片內(nèi)部布置與三維結構，建立了IGBT模塊三維溫度行為仿真模型。文獻[16]通過測試IGBT模塊的瞬態(tài)熱阻抗曲線，以Foster熱網(wǎng)絡結構理論表達式為目標函數(shù)，擬合得到Foster熱網(wǎng)絡結構下的熱阻熱容參數(shù)，進而基于得到的Foster網(wǎng)絡結構模型對IGBT模塊的結溫行為運行規(guī)律進行模擬仿真。綜上，當前研究多針對IGBT模塊的結構與瞬態(tài)熱阻抗曲線，建立了其Cauer與Foster熱網(wǎng)絡結構的行為模型，旨在實現(xiàn)IGBT模塊的結溫預測與仿真，但關于適用于不同系統(tǒng)等級的IGBT傳熱模型等研究內(nèi)容未見報道。因此，本文依據(jù)器件到系統(tǒng)不同等級對IGBT傳熱模型的仿真需求，開展IGBT傳熱模型建模。

基于熱傳導理論，在對經(jīng)典RC傳熱Cauer網(wǎng)絡結構進行深入分析的基礎之上，通過理論推導，建立了適用于不同封裝結構的IGBT傳熱Cauer熱網(wǎng)絡結構模型。通過分析對比封裝各層時間常數(shù)的不同時間尺度及各層之間的相互作用特點，建立了多層熱網(wǎng)絡結構簡化方法與標準。通過分析不同系統(tǒng)等級對IGBT傳熱模型的需求，建立了適用于器件級到系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型。

1 具有普適性規(guī)律的IGBT傳熱模型

IGBT是由不同材料，多層復雜結構構成的功率半導體器件，具有良好的機械穩(wěn)定、電絕緣和導熱性能。從底部向上依次為基板、DBC、銅層、焊料層、硅芯片、鋁金屬膜和鍵絲。各層材料熱膨脹系數(shù)、厚度、熱導率、熱阻及熱容等特性各不相同。

熱網(wǎng)絡模型方法是基于RC熱-電比擬原理，以IGBT芯片所產(chǎn)生的損耗熱量為熱源，將熱量流過模塊各個物理層向散熱器傳遞的過程等效為RC傳熱網(wǎng)絡，每一物理層用一對RC來表示，IGBT模塊的RC網(wǎng)絡結構，如圖2所示。其中，Rn為第n層熱阻，Cn為第n層熱容，Pin為IGBT芯片所產(chǎn)生的功率損耗；Tc為殼溫；Troom為室溫。

根據(jù)傳熱學以及將熱流通道看成傳輸線，傳輸線可用RC網(wǎng)絡來表示，由表1所示比擬理論，可得到每層等效材料熱阻Rth和熱容Cth分別為

圖2 IGBT模塊RC傳熱Cauer模型Fig.2 Cauer thermal model of RC IGBT model

表1 熱電相應對應量Tab.1 Analog of thermal and electric

式中，d為垂直熱傳導方向IGBT封裝結構各層厚度；λ 為材料的導熱系數(shù)；cp為材料的定壓比熱容；ρ 為材料的密度；A為上一層通過熱傳導流過該層熱流的有效傳熱面積，每一層有效傳熱面積的計算是將該層上一層的長度、寬度分別加上厚度后相乘得到，并非每層的幾何面積。

圖3 n層Cauer熱網(wǎng)絡結構Laplace變換Fig.3 Laplace transformation of Cauer thermal model of n layers

依據(jù)電熱比擬理論，對圖2進行Laplace變換，如圖3所示。圖中，s為由時域t進行Laplace變換到頻域后的復數(shù)變量，Pn(s)與Pn′(s)為第n個節(jié)點處兩條支路功率流Pn(t)與Pn′(t)的Laplace變換結果，Pin(s)為IGBT芯片功率損耗Pin(t)的Laplace變換結果，Tj(s)為IGBT芯片結溫Tj(t)的Laplace變換結果，Tc/s為IGBT模塊殼溫Tc的Laplace變換結果。

通過研究多層Cauer熱網(wǎng)絡結構，查明了n層Cauer熱網(wǎng)絡結構Laplace變換矩陣的特點與普適性規(guī)律，如式（3）所示。通過對式（3）進行反Laplace變換，即可求出芯片結溫及各層溫度在時域范圍內(nèi)的變化規(guī)律。

通過對該矩陣進行反Laplace變換

即可求出芯片結溫及以下各層的溫度，即

2 適用于器件級到系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型

根據(jù)器件、組件、系統(tǒng)對IGBT傳熱模型的不同需求[17]，基于Cauer熱網(wǎng)絡模型的結構特點，建立了適用于器件級到系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型。

2.1 適用于器件級熱仿真的IGBT傳熱模型研究

對于器件級熱仿真，要求IGBT傳熱模型能夠?qū)π酒Y溫的運行規(guī)律、封裝結構不同層溫度進行精確仿真。因此，基于IGBT基本結構和傳熱RC經(jīng)典Cauer熱網(wǎng)絡結構，針對一種型號為GD50HFL120C1S的IGBT模塊，建立了適用于器件級熱仿真的IGBT傳熱模型。

該模型IGBT模塊由芯片至基板為7層sandwich結構，如圖4a所示。根據(jù)廠家提供的封裝結構參數(shù)，基于電熱比擬理論與熱阻、熱容理論計算式（1）、式（2），得到該模型IGBT模塊芯片至基板各層結構參數(shù)與時間常數(shù)。進而，基于傳熱RC經(jīng)典Cauer熱網(wǎng)絡結構，建立了完整的七階IGBT傳熱網(wǎng)絡結構模型，如圖4b所示。

基于所建立的IGBT傳熱模型，通過對圖4b進行Laplace變化與反變換，可求出芯片結溫及以下封裝各層的溫度，即

圖4 IGBT基本結構及其Cauer熱網(wǎng)絡模型Fig.4 Basic structure of IGBT and Cauer thermal model

2.2 適用于組件級熱仿真的IGBT傳熱模型

對于組件級熱仿真，要求IGBT傳熱模型能夠?qū)π酒Y溫運行規(guī)律進行仿真，但相對于器件級熱仿真來說，仿真精度降低、仿真速度提高。因此，需要建立既能反映結溫運行規(guī)律，又能保證仿真速度的IGBT傳熱模型?；贗GBT模塊7層傳熱Cauer熱網(wǎng)絡結構與適用于器件級熱仿真的IGBT傳熱模型，通過分析單層RC網(wǎng)絡的運行特性，研究封裝各層之間的熱傳遞規(guī)律，針對該模型IGBT模塊，對7層傳熱網(wǎng)絡進行了簡化，并建立了適用于組件級熱仿真的三階IGBT傳熱模型。

2.2.1 單層RC網(wǎng)絡運行特性分析

掌握單層RC網(wǎng)絡運行特性是建立有效RC網(wǎng)絡傳熱模型的基礎。單層Cauer熱網(wǎng)絡結構如圖5所示。

傳熱模型中RC網(wǎng)絡時間常數(shù)是指RC網(wǎng)絡過渡反應時間過程的常數(shù)，是熱容C與熱阻R的乘積。在熱容、熱阻電路網(wǎng)絡中，當熱量流過時，熱容兩端的溫度達到最大值的1-1/e時所需時間為時間常數(shù)τ。根據(jù)時間常數(shù)的定義知，t時刻結溫表達式為

圖5 單層Cauer熱網(wǎng)絡結構Fig.5 Cauer thermal model of a single layer

由式（9）可知，當時間趨于+∞時，結溫Tj趨于穩(wěn)態(tài)結溫Tj(st)。定義ΔTjc(st)=Tj(st)-Tc，因此，得出結溫達到穩(wěn)態(tài)所需時間為

由于Tj→Tj(st)，所以ΔTj→ΔTj(st)。定義ΔTj= 0.98ΔTj(st)時，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)，則

基于Saber仿真軟件中的IGBT行為模型，在輸入功率540.3W、占空比0.5、殼溫25℃、仿真時長4s、單層RC網(wǎng)絡結構的仿真條件下，對時間常數(shù)τ 相同、熱阻Rth和熱容Cth不同組合時，單層網(wǎng)絡的運行特性進行了仿真研究，仿真結果如圖6所示，情況分析見表2。其中，ts為穩(wěn)定時間，Tτ為時間常數(shù)時刻的溫度，Tj(st)為穩(wěn)定溫度，Tc為殼溫。

圖6 時間常數(shù)為15ms時，單層網(wǎng)絡結溫仿真結果Fig.6 Simulation results of a single layer when the time constant 15ms

通過表2對單層網(wǎng)絡結構的傳熱特性進行分析，可以得出以下結論：

表2 時間常數(shù)相同、熱阻熱容不同組合時，單層網(wǎng)絡特性Tab.2 Characteristic of a single layer when the time constant same, the thermal resistance and capacitance different

（1）當熱阻一定時，結殼溫差由功率損耗決定，功率損耗相同，結殼溫差相同；當功率損耗相同時，由熱阻決定，熱阻越大，結殼溫差越大。

（2）當輸入功率保持不變時，熱阻與熱容不同組合情況下，時間常數(shù)相同，結殼溫差達到穩(wěn)態(tài)時間相同。

（3）當相鄰層時間常數(shù)相差較大時，熱量可迅速傳過時間常數(shù)較小層，因此，熱量傳過該層的時間相對于時間常數(shù)較大層較小，可以忽略不計，根據(jù)這一原則可對多層RC熱網(wǎng)絡進行適當簡化。

2.2.2 7層RC網(wǎng)絡結構簡化

該模型IGBT模塊芯片至基板各層結構參數(shù)與時間常數(shù)，如圖4b所示。時間常數(shù)是反映熱量傳過該層所需時間的物性參數(shù)。時間常數(shù)越大，熱量傳過該層所需時間越長，時間常數(shù)越小，熱量傳過該層所需時間越短。Cauer熱網(wǎng)絡模型傳熱規(guī)律時域分析軸如圖7所示。

圖7 Cauer熱網(wǎng)絡模型傳熱規(guī)律時域分析軸Fig.7 Time-domain analysis axis of thermal rules of Cauer thermal model

通過圖7可以看出，相對于DBC層和基板層，芯片層、上焊料層、上銅層、下銅層和下焊料層時間常數(shù)甚小，因此，熱量傳過這些層所需時間短，對芯片結溫運行規(guī)律影響小。根據(jù)2.2.1節(jié)結論，熱傳遞時間可以忽略不計，采用Saber仿真軟件中的行為模型，基于熱量達到穩(wěn)態(tài)時間的概念，對這一結論進行了證明。

基于2.2.1節(jié)穩(wěn)態(tài)時間理論計算式（11）與Saber單層熱網(wǎng)絡模型仿真條件，對IGBT模塊封裝各層單層結構達到穩(wěn)態(tài)時間進行了理論計算與仿真分析，IGBT模塊各層單層結構達到穩(wěn)態(tài)時間見表3。

表3 IGBT模塊各層單層結構達到穩(wěn)態(tài)時間Tab.3 Steady-state time of a single layer of IGBT module

通過表3可以看出，IGBT各層單層結構達到穩(wěn)態(tài)時間的分布情況，即熱量傳遞過程通過各層所需時間。熱量通過DBC陶瓷層（4層）的時間分別是通過上焊料層（2層）和上銅層（3層）時間的582倍和466倍；熱量通過基板層（7層）的時間是通過下銅層（5層）和下焊料層（6層）時間的1 150倍和67倍；因此可以得出，相對于整個熱量傳遞過程，熱量通過上焊料層（2層）、上銅層（3層）、下銅層（5層）和下焊料層（6層）的時間可以忽略不計。而熱容是決定熱量傳遞時間的元件，所以可以將上焊料層熱容Csolder1、上銅層Ccopper1、下銅層Ccopper2和下焊料層Csolder2視為無窮大，即斷路狀態(tài)。因此，IGBT模塊七階Cauer熱網(wǎng)絡模型可以簡化為三階熱網(wǎng)絡模型，如圖8所示。

圖8 三階Cauer熱網(wǎng)絡結構模型Fig.8 Cauer thermal model of three order

基于所建立的IGBT傳熱模型，通過對圖8進行Laplace變換與反變換，即可求出芯片結溫與各等效層溫度，即

2.3 適用于系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型

IGBT器件產(chǎn)生的功率損耗以熱量的形式通過芯片、焊料層、銅層、陶瓷層和基板傳遞至散熱器和外部空間，熱量在由芯片傳遞至基板的過程中，在各層之間產(chǎn)生相互作用，熱量在傳遞過程中各層之間的相互作用過程稱為熱傳遞動力學行為。采用所建立的IGBT傳熱數(shù)學模型，以圖2 IGBT模塊簡化后的3層RC網(wǎng)絡模型為例，采用階躍功率輸入信號，對IGBT器件RC網(wǎng)絡傳熱動力學特性與作用機制進行研究。由于層與層之間相互接觸，在熱量傳遞過程中存在動力學作用過程。因此，提出采用自然解耦的方法，對其動力學特性進行研究。將相互耦合的3層網(wǎng)絡各自獨立，各層溫度進行數(shù)學相加，三階Cauer熱網(wǎng)絡自然解耦一階模型如圖9所示，加合量標記為AddT；3層網(wǎng)絡耦合作用下的芯片層溫度，耦合量標記為CouT；則3層溫度數(shù)學相加得到的加合量與耦合作用下的耦合量之間的差別為該網(wǎng)絡的動力學作用效應，該動力學作用分量標記為dynT。

圖9 三階Cauer熱網(wǎng)絡自然解耦一階模型Fig.9 One order natural decoupling model of Cauer thermal model of three order

針對IGBT模塊，采用所建立的傳熱數(shù)學模型，在階躍功率270.15W輸入信號下，對其動力學特性進行仿真研究，結果如圖10所示。

圖10 IGBT模塊Cauer熱網(wǎng)絡動力學特性Fig.10 Thermal dynamical characteristics of Cauer thermal network

通過圖10a可以看出，在溫度上升過程中，3層網(wǎng)絡自然解耦模型溫度高于耦合模型仿真結果。這是由于3層耦合網(wǎng)絡模型，在溫度上升的過程中，下一層溫度的升高受到上一層溫度的制約，即耦合作用效應，所以導致自然解耦模型結果高于耦合模型仿真結果。兩個模型之間的差別即為動力學作用分量，其變化規(guī)律如圖10b所示。

通過圖10b可以看出，在溫度上升過程中，動力學作用效應先增大后減小。這主要是由于在溫度上升初期結溫與穩(wěn)態(tài)溫度相差較大，層與層之間的相互制約與作用效應逐漸增大，動力學作用分量逐漸增大。隨著結溫向穩(wěn)態(tài)溫度的逐步逼近，動力學作用分量增大的速率逐漸減小，直至達到最大值。在溫度上升后期結溫距離穩(wěn)態(tài)溫度越來越小，層與層之間的相互制約與作用效應越來越小，動力學作用分量逐漸減小，達到穩(wěn)態(tài)之后，動力學作用分量為0，即兩個模型仿真結果一致。這主要是由于當結溫由初始溫度上升達到穩(wěn)態(tài)之后，層與層之間的相互制約與作用效應消失，所以自然解耦與耦合模型仿真結果達成一致。

對于系統(tǒng)級熱仿真，只要求IGBT傳熱模型能夠?qū)ζ渥罡呓Y溫進行仿真，以指導散熱和結構設計等，對于IGBT結溫運行規(guī)律和開關瞬態(tài)過程要求低，并且要求具有更快的仿真速度。因此，基于IGBT模塊簡化之后的3層傳熱Cauer熱網(wǎng)絡結構與適用于組件級熱仿真的IGBT傳熱模型，依據(jù)達到穩(wěn)態(tài)之后傳熱動力學作用效應消失，得到動力學作用分量為0的結論，如圖10b所示。因此，采用3層網(wǎng)絡自然解耦之后的加合量來表征結溫變化規(guī)律，建立了適用于系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱一階模型，如圖9所示。

基于所建立的IGBT傳熱模型，通過對圖9進行Laplace變換與反變換，求出芯片結溫為

3 仿真與實驗

適用于組件級與系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型，是在器件級模型基礎之上進行簡化、解耦得到的，所以模型的可信度取決于器件級模型的精度，證明所建立的適用于器件級到系統(tǒng)級熱仿真IGBT傳熱模型的準確性，器件級模型是基礎。因此，通過設計紅外結溫驗證實驗，搭建實驗平臺，建立紅外結溫驗證方法，首先對器件級模型的準確性進行了驗證，進而在不同工況下，對適用于器件級到系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型的精度進行了驗證；并在相同工況下，對其仿真效率進行了分析與對比。

3.1 模型實驗驗證

實驗平臺：采用恒定可調(diào)電流源作為打開封裝的IGBT模塊輸入，電壓、電流實時采集系統(tǒng)對集射極飽和壓降和集電極電流進行實時采集并積分，采用高速紅外熱像儀對IGBT芯片溫度進行測試。在IGBT器件芯片下方的散熱器頂部開槽，布設高速熱電偶，采集散熱器溫度變化。實驗電路與平臺，如圖11所示。其中，圖11a中I為恒定可調(diào)電流源，VD1為單向?qū)ǘO管，A為數(shù)字電流表，VG為恒壓源，VD2為IGBT反并聯(lián)二極管，V為數(shù)字電壓表，In為紅外熱像儀。

圖11 IGBT傳熱模型實驗驗證電路與平臺Fig.11 Test circuit and platform of IGBT thermal model

實驗方法：IGBT模塊安裝于水冷散熱器中，散熱器能力足以耗散該模塊全工況范圍內(nèi)的功率損耗。恒壓源VG=15V，使IGBT處于完全導通狀態(tài)。實驗過程中，電壓、電流實時采集系統(tǒng)對IGBT集射極兩端壓降與流過集電極的電流進行積分得到IGBT器件的功率損耗，作為IGBT傳熱網(wǎng)絡模型的功率單元輸入；高速熱電偶實時采集散熱器溫度變化，作為IGBT傳熱網(wǎng)絡模型的散熱器單元輸入。

傳熱網(wǎng)絡模型及其溫度特性：由于IGBT模塊安裝于水冷散熱器時，IGBT模塊底板與散熱器頂部涂抹導熱硅脂，且底板、硅脂、散熱器界面存在接觸熱阻，通過在指定條件下進行熱阻測試，得出IGBT模塊在這種安裝條件下，殼到散熱器之間的熱阻為0.08℃/W，熱容為0.002J/℃，IGBT芯片至散熱器之間的傳熱網(wǎng)絡模型如圖12所示。圖中Rcs為殼到散熱器熱阻，Ccs為殼到散熱器熱容，Ts為散熱器溫度。

圖12 IGBT芯片至散熱器傳熱網(wǎng)絡模型Fig.12 Thermal network model of IGBT chip to radiator

材料導熱系數(shù)是溫度的函數(shù)，即材料導熱系數(shù)λ(T)與溫度T存在關系

式中，λref為參考溫度Tref下的參考導熱系數(shù)；α 為材料的物性系數(shù)，由材料本身決定。因此，在考慮溫度特性時，因此，基于IGBT模塊封裝結構各層物性參數(shù)，可計算出不同溫度下的熱阻值。則IGBT模塊各層熱阻計算式（1）改寫為

紅外熱像儀測溫方法：通過噴涂黑漆的方法，對芯片表面的發(fā)射率進行統(tǒng)一，黑漆發(fā)射率為0.97，IGBT芯片真實溫度等于紅外熱像儀測試溫度除以該發(fā)射率。同時，由于IGBT傳熱網(wǎng)絡模型仿真溫度為芯片層的平均溫度，所以采用紅外熱像儀測溫軟件讀取芯片范圍內(nèi)的溫度并取平均，如圖13a所示，芯片層平均溫度單周期內(nèi)變化規(guī)律紅外熱像儀測試結果，如圖13b所示。

圖13 紅外熱像儀測溫Fig.13 Test temperature of IR

功率損耗計算方法：熱量傳遞包括傳導、輻射和對流三種基本方式。由于實驗測試對象為打開封裝的IGBT模塊，芯片與鍵絲直接與空氣接觸。所以，IGBT產(chǎn)生功率損耗一部分通過輻射和對流耗散于外部空間，另一部分通過芯片以下封裝結構耗散于散熱器。通過對IGBT模塊進行理論分析計算[18]得出耗散于外部空間功率損耗占IGBT芯片產(chǎn)生功率損耗的5%，通過封裝結構耗散于散熱器功率損耗占產(chǎn)生功率損耗的95%。

仿真與實驗：在開展適用于器件級到系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型實驗驗證過程中，分別開展了電流10A、20A、30A、40A和50A工況下，傳熱特性研究。單周期結到散熱器溫差仿真與實驗結果對比，見表4與表5。其中，效率為通過封裝結構耗散于散熱器功率損耗占產(chǎn)生功率損耗的百分比，傳遞功率損耗為通過封裝結構耗散于散熱器功率損耗。

表4 不同電流下單周期結到散熱器穩(wěn)態(tài)溫差模型仿真結果Tab.4 Simulation results of IGBT junction to radiator steady-state temperature during a single period under different currents

表5 不同電流下單周期結到散熱器穩(wěn)態(tài)溫差實驗測試結果與誤差分析Tab.5 Test results and error analysis of IGBT junction to radiator steady-state temperature during a single period under different currents

3.1.1 適用于器件級與組件級熱仿真的IGBT傳熱模型實驗驗證

對于器件級熱仿真，要求IGBT傳熱模型能夠?qū)π酒Y溫的運行規(guī)律進行精確仿真，主要包括開關過程、上升下降時間等。對于組件級熱仿真，要求IGBT傳熱模型能夠?qū)π酒Y溫運行規(guī)律進行仿真，但相對于器件級仿真來說，仿真精度降低、仿真速度提高。因此，在恒定電流10A、30A、50A工況下，對單周期內(nèi)模型仿真結溫運行規(guī)律進行了實驗驗證。不同電流下，實驗測試過程中電壓、電流實時采集系統(tǒng)對集射極飽和壓降與集電極電流積分所得功率損耗，如圖14a所示，IGBT芯片下方散熱器溫度采集，如圖14b所示。

圖14 不同電流下實驗測試過程中功率損耗與散熱器溫度Fig.14 Power consumption and radiator temperature of different testing currents

采用所建立的適用于器件級熱仿真的IGBT傳熱理論七階模型，如圖4b與式（7）所示，所建立的適用于組件級熱仿真的IGBT傳熱理論三階模型，如圖8與式（14）所示，將圖14a功率損耗乘以效率百分比作為模型功率單元輸入，圖14b散熱器溫度作為模型散熱器單元輸入進行仿真，仿真結果與實驗過程中紅外熱像儀探測芯片平均溫度對比，如圖15所示。

圖15 不同電流下模型仿真與實驗結果對比Fig.15 Contrast for simulation and test results of different currents

通過圖15可以看出，不同電流工況下，所建立的適用于器件級熱仿真的IGBT傳熱模型仿真與實驗結果吻合良好，驗證了模型的準確性。器件級模型是依據(jù)器件結構建立的完整的七階傳熱模型，所以仿真與實驗結果一致性較高。但由于實驗采用的恒定可調(diào)電流源量程為0～875A，精度為±450mA，所以仿真與實驗結果存在一定誤差。通過圖15a可以看出，電流10A時，穩(wěn)態(tài)結溫仿真結果高于實驗結果，即電流源輸出電流小于10A；通過圖15c可以看出，電流50A時，穩(wěn)態(tài)結溫實驗結果高于仿真結果，即電流源輸出電流大于50A。組件級模型是在器件級模型基礎上，忽略上下焊料層與上下銅層的熱容建立的三階傳熱模型，所以該模型仿真開關瞬態(tài)過程與實驗吻合度較器件級模型低，但通過仿真與實驗波形對比，很難看出差別，通過3.2節(jié)對器件、組件、系統(tǒng)級模型仿真對比可清楚掌握不同等級模型之間的區(qū)別。

3.1.2 適用于系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型實驗驗證

對于系統(tǒng)級熱仿真，只要求IGBT傳熱模型能夠?qū)ζ渥罡呓Y溫進行仿真，對其開關過程不予關注。因此，在與器件級模型驗證相同的實驗測試條件時，在導通電流10A、20A、30A、40A、50A工況下，對其達到穩(wěn)態(tài)之后的最高結溫進行了實驗驗證，實驗結果與誤差分析，如圖16所示。

圖16 不同電流下模型仿真與實驗結果對比Fig.16 Contrast for simulation and test results of different currents

通過圖16可以看出，不同電流工況下，所建立的適用于系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型仿真與實驗結果吻合良好，驗證了模型的準確性。系統(tǒng)級模型是在組件級模型基礎上，采用自然解耦的方法建立的一階傳熱模型，其開關瞬態(tài)過程精度會降低，但其達到穩(wěn)態(tài)之后的最高結溫由結殼熱阻決定，所以達到穩(wěn)態(tài)之后的最高結溫仿真精度不會降低，如圖16b誤差分析，滿足系統(tǒng)級仿真的需求。

3.2 模型仿真對比

3.2.1 模型仿真規(guī)律對比

采用所建立經(jīng)過實驗驗證的適用于器件級熱仿真的IGBT傳熱模型，對IGBT器件的結溫及各層溫度運行規(guī)律進行了仿真分析。仿真條件：脈沖功率幅值500W，周期1ms，占空比1/2，殼溫25℃，仿真時長30s。仿真結果如圖17所示。

圖17 IGBT模塊芯片結溫及各層溫度仿真分析Fig.17 Simulation analysis of IGBT junction and each layer temperature

通過圖17可以看出，適用于器件級熱仿真的IGBT傳熱模型，可以對IGBT模塊芯片結溫及各層溫度進行仿真。并且芯片至基板溫度逐漸降低，溫度波動逐漸減小。由于DBC陶瓷層熱阻最大，所以DBC層與下銅層溫差最大。因此，通過該模型仿真結果可以掌握IGBT模塊封裝結構垂直方向上各層溫度分布。

采用所建立經(jīng)過實驗驗證的適用于器件級到系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型進行了仿真對比分析。仿真條件：脈沖功率幅值200W，周期30s，占空比1/2，殼溫25℃，仿真時長60s。仿真結果與誤差分析，如圖18所示。

圖18 適用于器件級到系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型仿真結果對比與誤差分析Fig.18 Simulation contrast and error analysis for IGBT thermal models applying for device to system

通過圖18可以看出，適用于器件、組件和系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型仿真結果基本吻合，滿足精度要求。其中，開關瞬態(tài)過程誤差最大，且系統(tǒng)級與器件級模型誤差最大，最大誤差占最高結溫的3.13%。這主要是由于結溫達到穩(wěn)態(tài)之前，層與層之間存在相互作用與制約的動力學作用效應，而系統(tǒng)級模型主要關注達到穩(wěn)態(tài)之后的最高結溫，對瞬態(tài)過程關注度較小，所以將其自然解耦，如圖9所示，將層與層之間的相互作用與制約忽略，導致結溫上升和下降過程中與完整的器件級模型存在一定誤差。

3.2.2 模型仿真效率對比

統(tǒng)一在Saber仿真環(huán)境下，搭建起傳熱模型效率仿真平臺如圖19所示，對所建立的經(jīng)過實驗驗證的適用于器件級七階網(wǎng)絡模型、適用于組件級三階網(wǎng)絡模型與適用于系統(tǒng)級一階網(wǎng)絡模型效率進行了仿真分析。

仿真條件：驅(qū)動信號，交流控制參考信號幅值1.0V，交流控制參考信號頻率60Hz，幅值調(diào)制比0.8，頻率調(diào)制比15，死區(qū)時間1μs。外界條件：母線電壓300V，負載電阻10Ω。仿真環(huán)境：仿真時長0.5s，步長10ns。

在上述仿真條件下，傳熱模型效率仿真平臺（見圖19）分別搭載七階、三階與一階傳熱網(wǎng)絡模型所得仿真效率對比，見表6。效率提升計算方法，系統(tǒng)級、組件級與器件級仿真模型在相同的仿真時長下仿真耗時之差除以器件級模型仿真耗時為

式中，Eup為仿真效率提升百分比；Tc_D、Tc_M、Tc_E分別為器件級、組件級與系統(tǒng)級仿真模型耗時。

圖19 IGBT傳熱模型效率仿真平臺Fig.19 Efficiency simulation platform of IGBT thermal model

表6 適用于器件級到系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型效率對比表Tab.6 Efficiency contrast for IGBT thermal models applying for device to system

通過表6可以看出，組件級傳熱網(wǎng)絡模型與器件級相比，效率提升了11.0%，系統(tǒng)級傳熱網(wǎng)絡模型與器件級相比，效率提升了18.5%。因此，所建立的適用于器件級到系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱網(wǎng)絡模型，效率得到了較大提升，適應了器件到系統(tǒng)不同等級下熱仿真的不同需求。

4 結論

基于IGBT基本結構與電熱比擬理論，建立了IGBT傳熱網(wǎng)絡結構與模型。通過分析單層網(wǎng)絡結構與多層網(wǎng)絡結構的運行特性，建立了多層網(wǎng)絡結構簡化方法與簡化依據(jù)。進而，根據(jù)器件到系統(tǒng)不同等級的需求與IGBT傳熱模型本身的時間尺度特征，建立了適用于器件級到系統(tǒng)級熱仿真的IGBT傳熱模型，并通過實驗對模型的正確性與高效性進行了驗證和對比。所建立的IGBT傳熱模型仿真精度高、效率提升大。該研究為查明IGBT結溫運行規(guī)律與作用機理、實現(xiàn)不同需求的獨立與聯(lián)合仿真、輔助失效機理與可靠性研究奠定了基礎。

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（編輯 陳 誠）

IGBT Thermal Model for Thermal Simulation of Device to System

Liu Binli Luo Yifei Xiao Fei Wang Bo
（National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System Naval University of Engineering Wuhan 430033 China）

Based on the device to system grade and multi-timescale characteristics of thermal network, a method of thermal modelling is proposed. The thermal network model of insulated gate bipolar transistor (IGBT) is established based on the network structure of RC and thermal theory. The operation rules of junction temperature, simplified standard and method of single-layer and multi-layer network structure is found out. On this basis, taking the different requirements of device to system for thermal model as the main line and the different timescale of each package layer time constant as the breakthrough point, the IGBT thermal models for device to system thermal simulation are established. The results of simulations and experiments verify the rightness and accuracy of the established models. It is significant in theory and practical application for finding out the characteristics of thermal network structure and the operation rules of junction temperature and realizing the independent and joint simulation of power electronic device to system.

Thermal network model, operation rules of junction temperature, device to system, model accuracy, model efficiency

TN306

劉賓禮 男，1984年生，博士，助理研究員，研究方向為電力電子器件運行特性、失效機理、健康狀態(tài)監(jiān)測與可靠性評估。

E-mail： liu_bin_li@126.com

羅毅飛 男，1980年生，副研究員，碩士生導師，研究方向為電力電子器件建模與可靠性。

E-mail： yfluo16@163.com（通信作者）

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.160954

國家自然科學基金重點項目（51490681），國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）（2015CB251004）和國家自然科學基金青年項目（51507185）資助。

2016-06-26 改稿日期 2017-03-16