計(jì)及流-熱耦合熱網(wǎng)絡(luò)模型的IGBT結(jié)溫計(jì)算*

許智亮 葛興來 李 金 柯倩霞 朱 丹

(1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 611756； 2. 中車大連機(jī)車車輛有限公司 大連 116022)

1 引言

絕緣柵雙極型晶體管(Insulated gate bipolar transistor，IGBT)因其高效的電能轉(zhuǎn)換效率被廣泛應(yīng)用于軌道交通、新能源發(fā)電和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域[1-2]，廣泛的應(yīng)用工況對IGBT模塊的可靠性提出了更高的要求。相關(guān)工業(yè)統(tǒng)計(jì)表明，溫度因素是造成功率器件失效的主要原因[3]，包括最高結(jié)溫、平均結(jié)溫、基板殼溫和散熱器溫度在內(nèi)的溫度因素會(huì)對IGBT模塊的損耗計(jì)算、剩余壽命和可靠性評估產(chǎn)生重要影響[4-5]。因此，IGBT模塊的結(jié)溫計(jì)算對于保障電力電子變換器的可靠運(yùn)行具有重要意義。

IGBT模塊的結(jié)溫計(jì)算方法大致可分為直接測量法、熱敏電參數(shù)法和熱網(wǎng)絡(luò)法[6]。其中，直接測量法主要利用熱敏元件或者紅外成像設(shè)備對IGBT模塊進(jìn)行結(jié)溫監(jiān)測，通常受限于模塊類型或需要破壞模塊封裝完整性[7]。熱敏電參數(shù)法通過離線校正模塊電參數(shù)與結(jié)溫的映射關(guān)系，并以此監(jiān)測結(jié)溫，但是多數(shù)熱敏電參數(shù)不易在實(shí)際器件高速開關(guān)的工況中獲取[8]。熱網(wǎng)絡(luò)法根據(jù)模塊數(shù)據(jù)手冊或是對實(shí)際IGBT模塊進(jìn)行有限元仿真，提取熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，然后根據(jù)實(shí)際溫度參考點(diǎn)計(jì)算IGBT結(jié)溫[9]，在電氣化交通領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

目前國內(nèi)外關(guān)于利用熱網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行IGBT結(jié)溫計(jì)算已有大量研究[10-13]。其中，文獻(xiàn)[10]利用IGBT模塊的數(shù)據(jù)手冊擬合得到器件熱網(wǎng)絡(luò)模型，用以計(jì)算牽引變流器中的IGBT結(jié)溫，但是數(shù)據(jù)手冊中的熱網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與實(shí)際器件具有一定誤差。進(jìn)一步，文獻(xiàn)[11-12]對IGBT模塊進(jìn)行有限元分析(Finite element analysis，F(xiàn)EA)，同時(shí)考慮模塊內(nèi)各芯片自熱和耦合熱阻抗，提取更精準(zhǔn)的熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。文獻(xiàn)[13]更加深入地考慮實(shí)際工況中的IGBT全橋模塊的熱耦合作用，利用FEA評估了芯片之間、芯片與橋臂以及相與相之間的熱耦合作用，但是缺乏對散熱條件的考慮。為此，文獻(xiàn)[14]單獨(dú)考慮散熱器與環(huán)境的對流熱阻，利用小波包變換和馬爾科夫鏈對對流熱阻實(shí)現(xiàn)隨機(jī)模擬，并將對流熱阻與實(shí)際器件損耗匹配。然而利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法模擬得到對流熱阻依賴于算法準(zhǔn)確性，未曾從實(shí)際傳熱過程中的熱耦合進(jìn)行考慮。盡管熱網(wǎng)絡(luò)法結(jié)溫監(jiān)測已考慮熱耦合效應(yīng)和散熱器條件，但是與真實(shí)模擬模塊內(nèi)熱耦合以及模塊與散熱器熱耦合仍存在一定差距。

綜上，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，利用考慮IGBT模塊與散熱器之間傳熱影響的有限元仿真，提出一種計(jì)及流-熱耦合的熱網(wǎng)絡(luò)模型的IGBT結(jié)溫計(jì)算方法。第2節(jié)對1 200 V/50 A模塊及相應(yīng)水冷散熱器進(jìn)行有限元仿真，考慮流體與溫度場耦合對IGBT結(jié)溫的影響，分別提取IGBT模塊的熱網(wǎng)絡(luò)模型和計(jì)及流-熱耦合的IGBT模塊和散熱器熱網(wǎng)絡(luò)模型。第3節(jié)搭建功率循環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)，提取殼溫及散熱器水溫分別代入熱網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算結(jié)溫，并與試驗(yàn)結(jié)溫對比驗(yàn)證。結(jié)果表明，所提方法計(jì)算所得IGBT結(jié)溫更貼近真實(shí)結(jié)溫，且更易于實(shí)際應(yīng)用。

2 有限元仿真和熱網(wǎng)絡(luò)模型搭建

2.1 IGBT模塊及散熱器

本文用以仿真及實(shí)物驗(yàn)證的IGBT模塊選用Infineon公司焊接型模塊FF50R12RT4，該模塊在中小功率場合應(yīng)用較廣，其封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)和縱向結(jié)構(gòu)示意如圖1和圖2所示。

圖1 IGBT模塊實(shí)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖2 IGBT模塊縱向結(jié)構(gòu)示意圖

為了簡化封裝模塊的結(jié)構(gòu)，本文忽略了封裝外殼、電氣端子、絕緣硅膠和鍵合線。IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)中各層材料的三維尺寸根據(jù)實(shí)際測量及Infineon公司提供的數(shù)據(jù)手冊[15]得到，IGBT模塊各層三維尺寸參數(shù)及材料特性如表1和表2所示。

表1 IGBT模塊三維尺寸參數(shù)

表2 IGBT模塊及散熱器的材料特性

散熱器采用水冷強(qiáng)迫對流散熱，根據(jù)IGBT模塊尺寸設(shè)計(jì)容納兩個(gè)IGBT模塊的Al材料散熱器，Al材料的相關(guān)特性如表2所示，散熱器尺寸為125 mm×125 mm×25 mm，內(nèi)部水道設(shè)計(jì)為10 mm水道，水冷散熱器具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水冷散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 有限元仿真

根據(jù)IGBT模塊與散熱器的結(jié)構(gòu)及三維尺寸，利用有限元仿真軟件ANSYS Workbench搭建IGBT及散熱器的三維有限元模型。其中IGBT模塊及散熱器的網(wǎng)格劃分選用Mechanical選項(xiàng)，折中考慮仿真精度與仿真時(shí)間成本，本文在IGBT芯片等對仿真結(jié)果影響較大的部分采用精細(xì)化密集網(wǎng)格劃分，在模塊其他部分采用較粗略的掃掠式網(wǎng)格劃分，流道及流體采用CFD物理選項(xiàng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖4所示。

本文分別對IGBT模塊進(jìn)行雙向流-熱耦合仿真和瞬態(tài)熱仿真，其中雙向流-熱耦合仿真為散熱器施加1.5 m/s、15 ℃的冷卻水，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中IGBT的功率損耗及芯片三維尺寸，直接分別為IGBT芯片加載30 A和60 A負(fù)載電流下的生成熱載荷4.5×109W/m3、9×109W/m3，同時(shí)借助Workbench中的System Coupling模塊，實(shí)現(xiàn)流體仿真與瞬態(tài)熱仿真之間傳熱界面數(shù)據(jù)的雙向傳輸更新。瞬態(tài)熱仿真中，需要為IGBT模塊基板底部設(shè)置與實(shí)際散熱器相當(dāng)?shù)纳釛l件。

圖4 IGBT模塊及散熱器網(wǎng)格劃分結(jié)果

對流換熱過程中的定性溫度tm為

式中，tw為水冷散熱基板的平均壁溫，參考環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃；tf為冷卻水的溫度，設(shè)置為15 ℃。 根據(jù)定性溫度tm查閱水物性參數(shù)表可知，水的運(yùn)動(dòng)黏度υm為1.008 7×10-6m2/s，水的導(dǎo)熱系數(shù)為λm=0.599 W/(m·K)，普朗特?cái)?shù)Prm=7，為了確定管道內(nèi)的冷卻水流體狀態(tài)，需要計(jì)算散熱器中冷卻水縱掠管道內(nèi)壁的雷諾數(shù)。

式中，v為冷卻水流速，根據(jù)已選型的水冷機(jī)計(jì)算得出為1.5 m/s；L為縱掠平壁情況下平壁板長，本文中該參數(shù)為散熱基板中水道的長度，即100 mm。

在根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)臨界雷諾數(shù)取Rem=5×105，由于Rem＜5×105且0.6＜Prm＜60，故整個(gè)縱掠平壁可均視為層流強(qiáng)迫，縱掠平壁時(shí)整個(gè)平壁表面的努謝爾數(shù)Num計(jì)算公式按POHLHAUSEN[16]給出的平均對流換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算

將式(2)和式(3)代入對流換熱系數(shù)求解公式可得，縱掠平壁時(shí)的對流換熱系數(shù)為

故水冷基板中的冷卻水與IGBT基板的對流換熱系數(shù)h為2 937 W/(m2·K)。因此，在瞬態(tài)熱仿真中為IGBT基板底部設(shè)置3 000 W/m2的對流換熱 系數(shù)。

IGBT芯片在導(dǎo)通過程中表現(xiàn)為焦耳熱效應(yīng)，因此可將IGBT芯片等效為內(nèi)熱源，根據(jù)熱力學(xué)傳熱微分方程，可得在有限元仿真軟件中模塊溫度分布求解公式為

式中，λ為材料熱導(dǎo)率；T為模塊內(nèi)部溫度；q為熱流量；ρ為材料密度；cp為材料熱容。

設(shè)置仿真時(shí)長為5 s，確保IGBT模塊結(jié)溫達(dá)到穩(wěn)態(tài)，得到IGBT達(dá)到最高結(jié)溫時(shí)的模塊溫度分布如圖5和圖6所示。

圖5 30 A等效電流下IGBT穩(wěn)態(tài)最高結(jié)溫時(shí)的溫度分布

圖6 60 A等效電流下IGBT穩(wěn)態(tài)最高結(jié)溫時(shí)的溫度分布

根據(jù)不同電流等級下的溫度分布云圖可知，流-熱耦合仿真和瞬態(tài)熱仿真最高結(jié)溫存在較大差異，根據(jù)IGBT模塊的加熱過程提取模塊的升溫曲線如圖7所示。

圖7 流-熱耦合仿真與瞬態(tài)熱仿真中的IGBT模塊升溫曲線

對比流-熱耦合仿真與瞬態(tài)熱仿真中的升溫曲線可知，由于流-熱耦合仿真中存在IGBT模塊與底部散熱器的實(shí)時(shí)熱交換，而瞬態(tài)熱仿真中將散熱條件利用集中參數(shù)法等效為一個(gè)對流換熱系數(shù)，缺乏對真實(shí)環(huán)境的模擬，兩種仿真中的IGBT模塊升溫曲線變化趨勢存在較大差異，這將影響提取得到的熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，進(jìn)而影響結(jié)溫計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2.3 熱網(wǎng)絡(luò)提取

為了根據(jù)殼溫或環(huán)境溫度等易于獲取的溫度參考點(diǎn)計(jì)算結(jié)溫，需要對IGBT模塊或IGBT模塊及散熱器整體建立熱網(wǎng)絡(luò)模型。

常用的熱網(wǎng)絡(luò)模型有Foster熱網(wǎng)絡(luò)和Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型，相較于需要根據(jù)IGBT模塊實(shí)際結(jié)構(gòu)及各層材料物理參數(shù)搭建的Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型，本文選用更易于在實(shí)際中應(yīng)用的四階Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型，F(xiàn)oster熱網(wǎng)絡(luò)模型不具備實(shí)際物理意義，根據(jù)IGBT模塊的溫度變化曲線與熱網(wǎng)絡(luò)定義式即可擬合得出，圖8為IGBT模塊與散熱器的熱網(wǎng)絡(luò)模型示意圖。

圖8 IGBT模塊與散熱器的Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型

通常對IGBT模塊與散熱器分別建立熱網(wǎng)絡(luò)，但是實(shí)際應(yīng)用中殼溫變化數(shù)據(jù)不易提取，因此本文擬利用散熱器中的冷卻水溫作為溫度參考點(diǎn)，在考慮流-熱耦合的基礎(chǔ)上，建立包含IGBT模塊和散熱器的四階熱網(wǎng)絡(luò)模型。四階熱網(wǎng)絡(luò)模型中熱阻抗計(jì)算公式如式(6)所示

式中，Zth為熱阻抗；Ri為第i階熱阻；Ci為第i階熱容；t為時(shí)間變量。

結(jié)合第2.2節(jié)中提取的IGBT結(jié)溫升溫曲線，同時(shí)提取流-熱耦合仿真中的冷卻水溫變化曲線，瞬態(tài)熱仿真中的殼溫變化數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件擬合得到流-熱耦合仿真和瞬態(tài)熱仿真中的四階熱網(wǎng)絡(luò)模型，具體參數(shù)如表3所示。

表3 流-熱耦合仿真和瞬態(tài)熱仿真中的熱網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

3.1 加速老化試驗(yàn)平臺(tái)搭建

本文根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)(IEC60749-34)搭建直流功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)原理如圖9所示。

待測器件(Device under test，DUT)柵極的直流電源產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)電壓與驅(qū)動(dòng)電流使其開通，加熱電流利用陪跑IGBT模塊S1控制，當(dāng)陪跑IGBT模塊開通時(shí)，較大的加熱電流通過待測DUT的IGBT芯片，而后陪跑IGBT模塊S1轉(zhuǎn)換為截止?fàn)顟B(tài)，進(jìn)而使待測IGBT模塊不再流經(jīng)負(fù)載電流。同時(shí)對待測IGBT芯片通入較小的測量微電流(100 mA)，通過測量IGBT芯片的熱敏電參數(shù)獲取IGBT芯片結(jié)溫。當(dāng)加熱電流斷開時(shí)，對IGBT芯片進(jìn)行散熱處理，當(dāng)IGBT芯片下降至指定最低結(jié)溫時(shí)，使陪跑IGBT模塊S1再次導(dǎo)通，開始新一輪的結(jié)溫波動(dòng)，以此模擬IGBT芯片在實(shí)際工作環(huán)境中受到的熱沖擊。

圖9 直流功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)原理

試驗(yàn)平臺(tái)主電路如圖10所示，本文將4個(gè)10 Ω/10 kW的小阻值大功率鋁殼電阻并聯(lián)接入主電路，將電壓源與電阻串聯(lián)等效為加熱電流源，利用直流電源保持DUT器件恒定導(dǎo)通，在不加負(fù)載電流時(shí)通入微電流利用小電流下的飽和壓降法進(jìn)行結(jié)溫監(jiān)測[17]，基于小電流下的飽和導(dǎo)通壓降Vce(T)法結(jié)溫監(jiān)測電路原理如圖11所示。

圖10 功率循環(huán)試驗(yàn)加熱主電路示意圖

圖11 基于Vce(T)法的結(jié)溫測量電路原理圖

當(dāng)兩個(gè)二極管D1和D2具有相同的特性時(shí)，選擇合適的放大器增益時(shí)，可利用放大器輸出電壓Vop表示IGBT飽和導(dǎo)通壓降Vce。

加速老化試驗(yàn)平臺(tái)裝置如圖12所示，包括可編程直流源Chorma，待測模塊FF50R12RT4和陪跑模塊FF75R12RT4，工業(yè)水冷機(jī)和紅外測溫儀。

圖12 加速老化試驗(yàn)平臺(tái)

3.2 結(jié)溫波動(dòng)曲線提取

基于Vce(T)法對IGBT模塊進(jìn)行結(jié)溫監(jiān)測時(shí)，需要建立IGBT芯片結(jié)溫Tj與IGBT飽和導(dǎo)通壓降Vce之間的線性關(guān)系式，故在對IGBT模塊進(jìn)行結(jié)溫在線監(jiān)測前，需要對IGBT結(jié)溫Tj與IGBT飽和通態(tài)壓降Vce的線性關(guān)系進(jìn)行校正，并擬合得到兩者之間的結(jié)溫系數(shù)。對DUT進(jìn)行離線結(jié)溫系數(shù)校正的試驗(yàn)如圖13所示。

圖13 IGBT溫度系數(shù)校正

本文利用恒溫加熱平臺(tái)將IGBT模塊加熱至指定溫度，并利用使IGBT芯片處結(jié)溫保持穩(wěn)定，此時(shí)IGBT驅(qū)動(dòng)模塊輸出柵極控制信號，并利用IGBT結(jié)溫監(jiān)測電路板為IGBT模塊通入100 mA微電流，確保IGBT模塊處于開通狀態(tài)且不會(huì)產(chǎn)生較大熱損耗對結(jié)溫測量造成影響，并利用紅外測溫儀得到IGBT結(jié)溫，最后利用Matlab軟件將IGBT結(jié)溫與飽和通態(tài)壓降進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以一階線性函數(shù)為作為擬合函數(shù)，擬合得到結(jié)溫校正曲線，擬合結(jié)果表明IGBT結(jié)溫與飽和導(dǎo)通壓降Vce具有較好的線性函數(shù)關(guān)系。

3.3 熱網(wǎng)絡(luò)法結(jié)溫計(jì)算驗(yàn)證

利用可編程直流源分別輸出30 A電流和60 A電流，并分別采集升溫階段5 s內(nèi)待測IGBT模塊的結(jié)殼溫變化曲線，利用熱電偶提取試驗(yàn)平臺(tái)中IGBT模塊的殼溫變化曲線，同時(shí)與FEA中的殼溫變化曲線對比。

由圖14可知，試驗(yàn)中的殼溫變化曲線與FEA中的相接近，因此將試驗(yàn)中IGBT模塊的殼溫變化數(shù)據(jù)輸入第2.3節(jié)中根據(jù)瞬態(tài)熱仿真所建立的熱網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)將散熱器水溫輸入根據(jù)流-熱耦合建立的熱網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算得到IGBT模塊的結(jié)溫變化曲線。

圖14 試驗(yàn)中與FEA中IGBT模塊的殼溫變化曲線

由圖15可知，計(jì)及流-熱耦合的熱網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算的結(jié)溫更接近實(shí)物試驗(yàn)結(jié)溫，基于瞬態(tài)熱仿真建立的熱網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)溫計(jì)算高于實(shí)際結(jié)溫，這是由于集總參數(shù)法等效散熱條件時(shí)，對真實(shí)參數(shù)存在一定程度的簡化，導(dǎo)致搭建的熱網(wǎng)絡(luò)模型與真實(shí)情況存在一定差異。此外，基于瞬態(tài)熱仿真的熱網(wǎng)絡(luò)模型需要以殼溫作為溫度參考點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，而計(jì)及流-熱耦合的熱網(wǎng)絡(luò)模型可以選用散熱器內(nèi)冷卻水溫作為溫度參考點(diǎn)，在電氣化交通領(lǐng)域無疑具有更大的應(yīng)用前景。

圖15 流-熱耦合與瞬態(tài)熱仿真熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)溫計(jì)算對比

4 結(jié)論

為了方便準(zhǔn)確地獲取IGBT模塊結(jié)溫，本文在傳統(tǒng)熱網(wǎng)絡(luò)法的基礎(chǔ)上，考慮散熱器流體散熱效果，提出一種計(jì)及流-熱耦合的熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)溫計(jì)算方法?；谟邢拊抡孳浖?shí)現(xiàn)流-熱耦合仿真并提取熱網(wǎng)絡(luò)模型，搭建了功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)平臺(tái)，對所提方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比驗(yàn)證。對仿真及試驗(yàn)結(jié)果分析得到以下結(jié)論。

(1) 所提計(jì)及流-熱耦合的熱網(wǎng)絡(luò)模型在不同負(fù)載電流下對IGBT模塊的結(jié)溫計(jì)算均具有較高的 精度。

(2) 所提計(jì)及流-熱耦合的熱網(wǎng)絡(luò)法基于散熱器冷卻水溫作為參考溫度計(jì)算IGBT結(jié)溫，在實(shí)際工程應(yīng)用中更易于選取溫度參考點(diǎn)，具有較好的工程應(yīng)用前景。