[发明专利]一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法

说明书

本发明公开了一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法，首先，在ANSYS Q3D中建立IGBT模块的杂散电感提取模型，得到内部DBC布局的杂散电感矩阵；其次，分析IGBT瞬态开通过程中电流分布不均匀的机理，建立IGBT模块内部各芯片开通损耗的不均匀模型；在COMSOL中建立IGBT模块热阻提取的有限元热模型，得到不同散热条件下各芯片的热阻，包括自热阻和耦合热阻。基于仿真得到的热阻数据，拟合得到IGBT模块内部芯片的热阻网络随散热性能变化的解析模型；最后，在MATLAB脚本中编写多芯片IGBT模块的批量化结温计算程序，并基于不同工况下的最高芯片结温刻画器件的热安全运行域。

技术领域

本发明涉及功率半导体模块领域，具体涉及一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法。

背景技术

作为电力电子变换器的核心，功率半导体模块在很大程度上决定了整个系统的关键性能，例如效率、成本和可靠性等。随着电力电子系统功率等级的提升，IGBT模块内部通常由众多IGBT芯片并联组成，以提升器件的带载能力。但是，由于模块布局的不对称性，每个芯片的电热行为很难完全保持一致，增加了单个IGBT芯片的过热风险，进而影响到整个系统的安全可靠运行。因此，需要充分考虑并联芯片的电热特性差异以准确计算模块内部中每个芯片的功率损耗和结温。

目前的IGBT模块的快速计算方法都是针对整个模块，无法深入到模块内部的具体芯片，没有考虑芯片间的动态电流不均衡及热耦合的效应，造成计算结果相比于实际情况偏低，不利于器件的安全应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法，以解决现有技术存在的问题，本发明充分考虑并联芯片温度差异，将动态电流不均衡及热耦合两种效应用解析公式描述，因此能够在短时间内快速扫描不同工况下并联芯片的最高结温，进而刻画IGBT模块的热安全运行域，对于功率器件的快速选型及变换器的安全高效设计具有重要的意义。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法，包括以下步骤；

步骤一：在ANSYS Q3D中建立IGBT模块的杂散电感提取模型，得到内部DBC布局的杂散电感矩阵；

步骤二：分析IGBT瞬态开通过程中电流分布不均匀的机理，利用步骤一中得到的杂散电感矩阵，建立IGBT模块内部各芯片开通损耗的不均匀模型；

步骤三：在COMSOL中建立IGBT模块热阻提取的有限元热模型，得到不同散热条件下各芯片的热阻，基于仿真得到的热阻数据，拟合得到IGBT模块内部芯片的热阻网络随散热性能变化的解析模型；

步骤四：结合上述建立的开通损耗的不均匀模型和热阻解析模型，在MATLAB脚本中编写多芯片IGBT模块的批量化结温计算程序，并基于不同工况下的最高芯片结温刻画器件的热安全运行域。

进一步地，步骤一中内部DBC布局的杂散电感矩阵包括各并联回路的自感及互感。

进一步地，步骤一中具体的提取过程为：

将DBC上铜层在芯片中点处断开并分别设置Source和Sink，前三次每次提取一个并联回路的所有杂散电感及互感L_C和M_C，最后一次提取键合线上的杂散电感L_W，提取频率设置为20MHz。

进一步地，步骤二中分析IGBT瞬态开通过程中电流分布不均匀的机理具体为：

当下桥臂接受到开通信号后，栅-射极电压逐步上升，当电压上升至大于阈值电压时，电流开始流过器件，此时各个芯片的栅极-发射极电压表示为公式(1)：