[发明专利]一种IGBT模块的稳态温度计算方法

说明书

本发明公开了一种IGBT模块的稳态温度计算方法，所述IGBT模块的稳态温度计算方法包括以下步骤：计算IGBT模块损耗；输入IGBT模块热特性参数；建立IGBT模块散热系统热路模型，所述热路模型包括IGBT模块、导热接触材料和散热器；确定IGBT模块温度。通过本发明提出的IGBT模块的计算方法，避免了现有技术通过端口传热特性数学逼近方法产生的等效热路模型，在保证稳态计算精度的同时避免非物理热阻和热容产生的失真和误差；避免了场域计算模型计算工作量巨大耗时严重的弊端，提升了基于IGBT模块的系统设计的工作效率。

技术领域

本发明涉及一种稳态温度计算方法，具体涉及一种IGBT模块的稳态温度计算方法。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是一种通过控制信号可以开通和关断的可关断电力电子器件。IGBT具有三个端子：门极端子(G)和两个负荷端子发射极(E)、集电极(C)。通过在门极和发射极之间施加适当的电压，IGBT可以控制一个方向的电流，即导通和关断。由于IGBT器件无法承受反压，工业应用中一般在IGBT器件的两个负载端子间并联续流二极管，并封装在一起形成IGBT模块。IGBT具有输入阻抗高、驱动功率小、控制电路简单、速度快和工作频率高的特点，称为最有应用前景的电力电子器件之一，在工业拖动、轨道交通、高压输电、智能家电和工业控制等领域获得了越来越广泛的应用。

实际应用中IGBT模块需要经常开通和关断，以控制负载电流，同时，在导通和关断条件下IGBT模块还要承受通态电流和断态电流，这些都会使IGBT模块承受一定的功率损耗，产生热量并导致IGBT模块芯片温度的提升。为了保证IGBT模块工作时的安全性，一般需要通过配置风冷散热器或水冷散热器以保证IGBT模块运行中产生的热量可及时散出。由于IGBT模块的复杂内部结构，特别是高压IGBT模块对绝缘性能提出了很高要求，因此，如何获得运行中IGBT模块芯片的温度特性是电力电子装置设计时重点考虑的问题，也是尚未很好解决的问题。目前，主要通过计算获得IGBT模块的运行温度特性。

IGBT模块的温度计算方法主要有两种，热阻抗分析法和场域分析法，这些方法关注温度变化趋势，对计算条件要求复杂且参数不易获得。在公开发表的“用于IGBT模块结温预测的热-电耦合模型研究”(吴岩松等.用于IGBT模块结温预测的热-电耦合模型研究.电工电能新技术，33卷3期，2014)中介绍了典型的热阻抗分析法。该方法需要热阻抗网络模拟散热元件的热传播特性，由于该方法对材料热特性的模拟本质上仍为端口逼近模型而非物理模型，并且模型中热容参数的连接方式和数值对计算精度影响较大，对于工程中主要关心的最高稳态结温等问题容易产生较大数值震荡，且容易造成较大误差。专利“一种获取电力电子器件瞬态温度的方法和装置”(专利号CN 102930096A)公布了典型的基于场域分析法获得IGBT模块瞬态温度的计算方法，该方法建立了IGBT模块的有限元模型和有限体积模型，获得IGBT模块内部详细的对流系数分布和温度分布，工程实践中该方法需要IGBT模块内部结构的详细尺寸和物理参数，一般使用者无法获得，同时每次计算工作量巨大且耗时较长。

高压IGBT模块的温度计算方法主要有两种，热阻抗分析法和场域分析法。这些方法分别存在以下技术偏见：

(1)这些方法关注温度变化趋势，对计算条件要求复杂且参数不易获得；

(2)热容参数的数值和布置方式对计算精度影响较大，容易产生误差；

(3)模型参数获取困难，一般用户无法获得；

(4)模型计算工作量巨大，耗时较长。

因此，需要提供一种能满足高压IGBT模块工程应用计算精度要求的芯片稳态温度计算方法来提升IGBT模块工程应用设计的工作效率。

发明内容