[发明专利]一种IGBT模块的电-热-老化结温计算模型建立方法

摘要

本发明涉及一种IGBT模块的电‑热‑老化结温计算模型建立方法，其主要技术特点是：测取不同老化程度时IGBT模块的电热参数、获取三维关系曲面并建立不同老化程度时电热参数数据表；建立IGBT模块的电模型、IGBT模块的热网络模型，并将IGBT模块的电模型计算所得功率损耗以电流源形式通入IGBT模块的热网络模型，并将热网络模型计算的结温实时反馈至电模型，完成IGBT模块的电‑热耦合模型的建立；对IGBT模块进行老化状态评估；进行IGBT模块的结温计算。本发明针对不同的老化进程获取对应的电热参数，并将这些电热参数代入电‑热耦合模型中进行结温计算，即根据模块的老化程度实时动态改变电‑热耦合模型参数，从而实现考虑模块老化程度的结温预测功能。

主权项

1.一种IGBT模块的电‑热‑老化结温计算模型建立方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、测取不同老化程度时IGBT模块的电热参数、获取三维关系曲面V_ce＝f(T_j,I_c)并建立不同老化程度时电热参数数据表，其中，T_j为结温，I_c为集电极电流；测取不同老化程度时IGBT模块的电热参数具体方法为：对IGBT模块进行ΔT_c功率循环加速老化试验，并定义IGBT模块失效标准为其热阻相对于初始值增大20％，当测得的IGBT模块热阻增大20％时停止老化试验；在功率循环加速老化试验进程中，每功率循环100次时测取一次IGBT模块的开通能耗E_on、关断能耗E_off、瞬态热阻抗曲线以及三维关系曲面V_ce＝f(T_j,I_c)，其中IGBT模块的开通能耗E_on和关断能耗E_off采用IGBT参数测试系统进行测取；瞬态热阻抗采用IGBT模块热阻测试仪进行测取；获取三维关系曲面V_ce＝f(T_j,I_c)的具体方法为：将IGBT模块放入恒温箱并以一定间隔值设置恒温箱的温度，在不同温度下达到热平衡后，给IGBT模块通以幅值以一定间隔值变化的单脉冲触发电流进行单脉冲测试，测取不同结温和集电极电流下IGBT模块的通态压降并记录，最后基于MATLAB处理测取的结温、集电极电流和通态压降数据，画出V_ce＝f(T_j,I_c)三维关系曲面；建立不同老化程度时电热参数数据表的方法为：通过对IGBT模块不同老化程度时的瞬态热阻抗曲线进行拟合得出其热阻、热容参数，然后将不同老化程度时IGBT模块的开通能耗E_on、关断能耗E_off、热阻、热容以及三维关系曲面V_ce＝f(T_j,I_c)存储在不同老化程度时电热参数数据表；所述瞬态热阻抗曲线表示为：式中，Z_th、R_i和C_i分别为IGBT模块的等效热阻抗、热阻和热容；n为拟合阶数，n取4；步骤2、建立IGBT模块的电模型、IGBT模块的热网络模型，并将IGBT模块的电模型计算所得功率损耗以电流源形式通入IGBT模块的热网络模型，并将热网络模型计算的结温实时反馈至电模型，从而完成IGBT模块的电‑热耦合模型的建立；其中，所述IGBT模块的电模型建立方法为：将开关周期内IGBT模块的平均通态损耗P_c设为：P_c＝V_ce·i_c·δ(t)式中，V_ce为IGBT模块的通态压降；i_c为IGBT模块的集电极电流；δ(t)为IGBT模块的占空比；对IGBT模块的输出特性曲线进行近似线性拟合，V_ce近似表示为：V_ce＝V_ceo+i_c·r_ce式中，V_ceo为IGBT模块的阈值压降；r_ce为IGBT模块的导通电阻；V_ceo与r_ce均随温度呈线性变化趋势，分别近似表示为：式中，V_{ceo_298.15K}和r_{ce_298.15K}分别为298.15K时IGBT模块的阈值压降和导通电阻；T_j为IGBT模块的结温；分别为温度‑阈值压降和温度‑导通电阻线性拟合曲线的斜率；将开关周期内IGBT模块的平均通态损耗P_c设为：一个开关周期内IGBT模块的平均开通损耗P_on与平均关断损耗P_off表示为：其中，E_on与E_off分别为IGBT模块测试条件下的开通能耗与关断能耗，通过器件技术手册中查表获取；U_dc为IGBT模块直流电压；U_N和I_N分别为IGBT模块开关能耗在测试条件下的直流电压和通态电流，均从IGBT技术手册获取；与分别为IGBT栅极电阻R_g对其开通能耗与关断能耗的影响系数，根据器件技术手册中的Eo_nEo_ff‑R_g曲线获取；为IGBT开关能耗的温度系数，一般根据经验取值；IGBT开关周期内平均功率损耗P_I为平均通态损耗P_c、平均开通损耗P_on与平均关断损耗P_off之和，得到IGBT模块的电模型如下：P_I＝P_c+P_on+P_off；所述IGBT模块的热网络模型的建立方法为：对IGBT模块建立四阶RC热网络，将导热脂加散热器作为整体建立一阶RC热网络；IGBT模块的导热脂加散热器的RC参数通过下式获取：式中，Z_th、R_i和C_i分别为IGBT模块的等效热阻抗、热阻和热容；n为拟合阶数，n取4；导热脂加散热器的热阻抗曲线通过试验测量获取，具体方法为：给IGBT模块通入恒定电流，IGBT模块将产生恒定功率p，从通入电流开始实时测量IGBT模块的壳温T_c和环境温度T_a，导热脂加散热器的热阻抗Z_th,ca近似表示为：Z_th,ca＝(T_c‑T_a)/p；步骤3：对IGBT模块进行老化状态评估，具体方法为：在结温T_j1与集电极电流I_c1下测取IGBT的饱和压降V_ce1，并根据步骤1得到的不同老化程度时IGBT模块三维标准曲面V_ce＝f(T_j,I_c)，对比得出IGBT模块的老化状态；步骤4：进行IGBT模块的结温计算，具体方法为：根据步骤3得出的IGBT模块老化状态及步骤1建立的不同老化程度时电热参数数据表，获取IGBT模块当前的电热参数，并设置电‑热耦合模型的电热参数和工况下的仿真参数，进行实时仿真计算IGBT模块的结温，得出工况下IGBT的结温变化过程。