開關損耗與溫升的PLECS仿真分析

楊喜軍 吳 雙 常中科 田書欣

(1. 上海交通大學 電氣工程系， 上海 200240)(2. 上海電力大學 電氣工程學院， 上海 200090)

為持續(xù)促進高等教育教學質量， 2018年教育部頒布了《普通高等學校本科專業(yè)類教學質量國家標準》。電氣工程專業(yè)制定了跟進的教學方針：以國家人才需求為導向，秉承“強弱電結合、軟硬件結合、重實踐、求創(chuàng)新”的專業(yè)辦學特色，期望畢業(yè)生能夠在價值取向、知識、能力、素質等方面實現更高水準的發(fā)展。在學校期間，學生應該具備發(fā)現、提煉、分析、解決問題以及形成成果的能力，其中分析手段包括理論分析、仿真分析和實驗驗證。仿真分析就是根據相似原理建立系統(tǒng)模型，利用模擬試驗來研究實際系統(tǒng)的一種預測與實驗方法，利用一個模型來模擬實際系統(tǒng)內部發(fā)生的運動控制，達到期望的實用效果或者對系統(tǒng)動態(tài)性能的求解。根據模型來劃分，仿真分析包括物理仿真、數字仿真以及半實物仿真。隨著計算機技術、軟件技術以及建模技術的不斷發(fā)展，仿真分析在功能、速度、精度、效果等方面的優(yōu)勢越來越明顯。仿真分析具有直觀性強、實時性好、靈活性高、成本低廉等優(yōu)點，屬于電子設計自動化(EDA)的一個重要方面，非常適合用作輔助教學手段。電力電子技術屬于交叉技術，與聲、電、熱、光、磁、機等專業(yè)密切相關[1-6]。限于基礎課背景、學時有限以及知識結構尚未完善等原因，學生對功率開關發(fā)熱的理解僅僅限于導通損耗和開關損耗以及軟開關、硬開關和零開關等概念，不是很清楚功率開關的發(fā)熱模型以及如何利用仿真軟件進行熱分析。數字仿真工具包括SABER和PLECS等，在科研和教學方面得到廣泛的應用[7-11]。為了便于學生很好地理解功率損耗、發(fā)熱模型以及溫升，需要選擇學生感興趣和典型功率開關構成的電力電子變換電路進行輔助教學。鑒于此，以雙邊LCC諧振網絡的感應式無線輸電系統(tǒng)(ICPT)中SiC功率MOSFET、逆導型開關(RC-IGBT)為例，給出如何采用PLECS進行發(fā)熱建模和溫升計算的范例。

1 功率開關連續(xù)網絡熱路模型建立

半導體器件管芯(PN結)耐溫一般處于150～200 ℃，硅管最大允許結溫Tjm=175 ℃。由于功率開關的發(fā)熱涉及到芯片設計、封裝隔離與散熱等技術，隨著集成封裝和功率密度等要求的不斷升高，功率開關熱分析顯得至關重要。

功率開關的傳熱模型環(huán)節(jié)分為器件級、組件級和系統(tǒng)級三類，功率開關熱特性可以采用以下兩種模型來表示：首先是連續(xù)網絡熱路模型，即Cauer模型、T模型或梯形網絡，從該熱路模型的各網絡節(jié)點就能獲得每層材料的內部溫度，適用于分析每一層都可以相對獨立的RC單元熱路；其次是局部網絡熱路模型，即Foster模型或pi梯形網絡，在該模型中網絡節(jié)點沒有物理意義，適用于解析計算模塊的溫度分布。

作為一種功率開關，IGBT包括多種制作材料，形成多層復雜結構，具有良好的機械穩(wěn)定性、電絕緣性和導熱性。從IGBT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、厚度、熱導率、熱阻及熱容等特性各不相同。建立熱網絡模型時，一般基于RC熱-電比擬原理，以功率開關管(如IGBT)芯所產生的損耗熱量為熱源，熱量流過模塊各個物理層向散熱器傳遞，該過程等效為RC傳熱網絡。根據傳熱學，可以將熱流通道視為傳輸線，傳輸線可用RC網絡來表示。在功率模塊RC 網絡結構中，每一物理層用一組 RC來表示，Rn為第n層熱阻，Cn為第n層熱容，Pin為功率芯片產生的功率損耗，Tc為殼溫，Troom為室溫。根據電-熱比擬原理，可得到每層等效材料熱阻和熱容，分別表示為Rth=t/Aλ和Cth=CpρtA，式中，t為垂直熱傳導方向上功率開關封裝結構各層厚度；λ為材料導熱系數；cp為材料定壓比熱容；ρ為材料密度；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，并非指每層的實際幾何面積。

時間常數是反映熱量通過該層所需時間的物理參數。時間常數越大，熱量通過該層所需時間越長。反之，時間常數越小，熱量通過該層所需時間越短。相對于 DBC 層和基板層，芯片層、上焊料層、上銅層、下銅層和下焊料層的時間常數很小，因此，這些層的熱量傳導所需時間很短，對芯片結溫影響較小。熱容是決定熱量傳遞時間的元件，因此可以將上焊料層熱容Csolder1、上銅層Ccopper1、下銅層Ccopper2和下焊料層Csolder2視為無窮小，即斷路狀態(tài)。

功率開關的封裝具有多種類型，包括功率模塊(PIM或IPM)、單管片裝(如TOP247或TOP264)、單管貼裝和徑向引線裝等，它們具有相似的熱網絡模型，但是熱阻與熱容(RC)參數有所不同。結溫都等于熱路中總溫升與環(huán)境溫度之和，即Tjmax=PD(Rθ,jc+Rθ,cs+Rθ,sa)+Ta。單管片裝一類功率開關-散熱器安裝配置示意及分層熱路結構如圖1所示。

(a)安裝配置示意

(b)分層熱路結構圖1 基本結構及其7階Cauer熱網絡模型

對于器件級熱仿真，要求基于功率開關傳熱模型能夠對芯片結溫的運行規(guī)律、封裝結構不同層的溫度進行精確仿真計算。基于功率開關基本結構和經典傳熱Cauer熱網絡結構，可以建立功率開關器件級熱仿真?zhèn)鳠崮Ｐ?，如圖2(a)所示，該模型由芯片至基板為七層三明治結構。經過合并小慣性環(huán)節(jié)后，可以得到簡化的三階Cauer熱網絡結構模型，如圖2(b)和(c)所示。

綜合以上，可得功率開關-散熱器-環(huán)境之間的等效熱電路模型，如圖3所示。

發(fā)熱元件常見的散熱方式包括熱傳導、熱輻射、熱對流以及蒸發(fā)散熱等，散熱器件包括PCB敷銅、散熱器(銅、鋁或鐵)、風扇冷卻、水冷、油冷、半導體制冷與熱管等。對于不同的散熱材料，其導熱率不同。散熱效果還與涂硅脂、導熱硅膠墊、散熱片氧化發(fā)黑等情況有關。

圖2 IGBT 7階Cauer熱網絡模型與3階簡化模型

圖3 功率開關-散熱器-環(huán)境的熱網絡模型

對于常規(guī)散熱器設計，殼至散熱器熱阻為0.0087 K/W，殼到散熱器熱容為500 J/K。常用散熱器熱阻為0.002 K/W，可以通過改變散熱器熱容實現需求工況下散熱設計。因為Rθ,CA取值很大，對整個熱路的分析影響很小，故可以忽略，因此Rθ,JA≈Rθ,JC+Rθ,CS+Rθ,SA。

晶閘管與功率二極管的電流流出端(陰極)與自身散熱體相連，在電氣上為一點。IGBT的集電極與功率MOSFET的漏極分別與自身散熱體相連，在電氣上為一點。絕緣墊片的作用就是在電氣上隔離不同功率器件，防止不該短接的地方短接。絕緣墊片包括氧化鋁陶瓷墊、云母墊、硅膠墊，要求具有非常高的機械性能、電氣性能和導熱性能，后者包括較高的導熱系數和較低的熱阻。例如，BNG600是用硅橡膠/硅樹脂為主要原材料，填充導熱填料(氧化鋁等)，然后同玻璃纖維復合而成，導熱系數為2 W/mK，熱阻僅為0.42 ℃·in2/W@50Psi。

在墊片上下接觸面涂硅脂，可以增大接觸面積和排除空氣，減小接觸熱阻。一般導熱硅脂的熱阻在0.05～0.2 ℃·in2/W左右，與硅脂厚度、高溫高濕等有關。根據ASTM D5470 標準，TG300導熱硅脂的熱阻是0.075 ℃·in2/W(0.1mm, 40psi)。

2 雙邊LCC諧振網絡ICPT系統(tǒng)介紹

采用雙邊LCC諧振網絡的ICPT系統(tǒng)如圖3(a)所示，圖中，逆導型開關S1～S4構成高頻逆變電路，M為磁耦合機構的互感系數，功率二極管D1～D4構成高頻整流電路，Lf1、Cf1與Cf1構成發(fā)射級LCC補償網絡，Lf2、Cf2與Cf2構成接收級補償網絡，RC1與D5構成輸出電流調節(jié)電路。圖4(a)的簡化電路如圖4(b)所示，圖中，ui為逆變電路輸出電壓，Re為整流電路輸入端等效電阻，Ii、Ip、Is與IL分別為諧振網絡的四個網孔電流。

(a)功率電路

(b)簡化電路圖4 雙邊LCC諧振網絡ICPT系統(tǒng)的功率電路

按照全諧振參數匹配方式，使網孔電流方程中對角線上的參數為純阻性，可得輸出電流為

可見，在全諧振條件下，發(fā)射線圈電流不受負載大小的影響，輸入阻抗呈純阻性，但是ICPT無法實現恒流輸出和恒壓輸出。當耦合線圈內阻相對負載阻值可以忽略時，輸出電流可以化簡為

可見，此時雙邊LCC諧振網絡ICPT的輸出電流僅僅與諧振頻率、耦合系數和輸入電壓有關，與負載阻值無關，可實現恒流輸出特性，且負載電流與輸入電壓相位差恒定。當線圈內阻不可忽略時，可以通過調節(jié)原邊諧振網絡的電感、電容參數實現開環(huán)恒流輸出特性。為了實現ICPT恒壓輸出特性，可以通過控制逆導型開關RC1的占比d，以此調節(jié)電容Co的充電比率，可以維持輸出電壓穩(wěn)定。逆導型開關RC1的開關頻率為kωr，k為任意數。k越大，RC1的開關損耗越大。

3 功率開關損耗特性仿真分析

3.1 功率開關損耗特性曲線

在ICPT中，功率開關包括逆變電路中的SiC功率MOSFET、整流電路中功率二極管、電流斬波電路中逆導型IGBT和反向快恢復二極管。SiC功率MOSFET型號為NTHL020N120SC1，具有通態(tài)電阻小、開關速度快、反向恢復快、易驅動等特性。SiC肖特基功率二極管的型號為FFSH3065ADN-F155，具有無反向恢復電流、受溫度影響小、功率密度高、EMI低等特點。

功率MOSFET與IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。伏安特性是指漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線，開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系，轉移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關系曲線。在廠家提供的數據手冊中，可以查閱到不同溫度條件下功率開關靜態(tài)特性曲線，由此建立功率開關的熱描述文件。其中，功率MOSFET與IGBT的參數設置和損耗特性熱描述文件如圖5所示，仿真分析前需要將這些文件導入PLECS V4.1.2中相應功率開關的模塊參數中“parameters”與“Thermal”中。

(a) SiCMOSFET開通損耗

(b) SiCMOSFET關斷損耗

(c) 逆導型IGBT開通損耗

(d) 逆導型IGBT關斷損耗圖5 功率MOSFET與IGBT的損耗特性曲線S

3.2 熱網絡電路的搭建與分析

采用PLECS 中Thermal模塊庫里的散熱板Heat Sink、熱阻和熱容Thermal Chain、熱流儀表Wm和熱常數Tconst等模塊，構成ICPT熱分析等效回路仿真電路，散熱板內部由一個理想熱流和熱容并聯組成，如圖6所示。

圖6 雙邊LCC ICPT PLECS熱分析仿真電路

圖6中，發(fā)射級與接收級各采用一塊獨立的散熱器。在仿真分析中，熱回路的參數設置如圖7(a)和圖7(b)所示。散熱板的初始溫度、環(huán)境溫度和熱常數 Tconst模塊溫度相同，設為25 ℃。其他仿真分析條件為：輸入電壓400 V，雙邊LCC諧振頻率均為85 kHz，逆導型開關的斬波頻率5 kHz。

設置Heat Sink：Heat Sink端子數設置為1，熱容設置為0 F，初始溫度設置為25 ℃。如果使用多塊分立散熱器，則端子數設置為1。

設置Thermal chain：調入Thermal chain，根據IGBT管芯到環(huán)境的層數設置每層熱阻和熱容，其中RC-IGBT中Heat sink與Thermal chain參數設置如圖7所示。

圖7 PLECS中Heat sink與Thermal chain參數設置

利用探測模塊Probe，即可測量發(fā)射級電路和接收級電路中各功率開關的損耗和散熱器溫度，Probe Editor的設置如圖8所示。

圖8 PLECS中Probe Editor的設置

當RC-IGBT RC1的驅動占比由0～1.0變化過程中，四種功率開關的總損耗如圖9所示，損耗變化規(guī)律與理論分析結果一致。散熱板溫度與IGBT管芯溫度波形如圖10所示。

圖9 ICPT中四種功率器件總損耗曲線

圖10 散熱板與IGBT管芯溫度波形

4 結語

基于熱傳導理論和連續(xù)網絡熱路模型(Cauer模型)，以雙邊LCC諧振補償網絡電磁感應式無線輸電系統(tǒng)為例，詳細介紹了利用 PLECS對主要功率開關SiC MOSFET、快速恢復二極管和RC-IGBT的熱建模、損耗分析和溫升分析。有關材料可以用于電力電子技術課程的輔助教學，能夠促進學生自學能力，踐行新工科教育和成果導向教育。