主驅(qū)逆變器應用中不同 Zth 模型對分立 IGBT Tvj 計算的影響

*本論文摘要由PCIM官方授權(quán)發(fā)布

/ 摘要/

在 xEV 應用的主驅(qū)逆變器中，關(guān)于 IGBT 分立器件熱阻網(wǎng)絡(luò)建模和虛擬結(jié)溫計算的研究和論文相對較少。本文基于最新的可回流焊接分立式 IGBT 產(chǎn)品(TO247)，通過 Ansys FEM 3D 建模和熱阻提取，以及典型逆變器條件下的 PLECS 仿真,比較和分析了分立式 IGBT 的三種不同熱阻網(wǎng)絡(luò)模型(外殼和冷卻水之間)，以及其對 IGBT 和 FWD 虛擬結(jié)溫計算的影響。

01

傳統(tǒng)TO247 ZthJW熱阻網(wǎng)絡(luò)分析

1.1

傳統(tǒng)TO247 ZthJW熱阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1. 傳統(tǒng) TO247 ZthJW 熱阻網(wǎng)絡(luò)

從 Tvj 到 Tw 的 TO247 IGBT 離散熱阻網(wǎng)絡(luò)和 FWD 相互獨立，互不影響。

1.2

TO247 ZthJW熱阻網(wǎng)絡(luò)的熱耦合分析

圖2. TO247 ZthJW 熱阻網(wǎng)絡(luò)的熱耦合分析

基于FEM熱仿真分析后，熱耦合主要在器件外殼(Case)與水(Water)之間，器件內(nèi)部結(jié)(Junction)與殼(Case)的熱耦合影響相對可忽略。

02

新型TO247 ZthJW熱阻網(wǎng)絡(luò)A

(每個開關(guān))

2.1

新型 TO247 ZthJW 熱阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

A的結(jié)構(gòu)(每個開關(guān))

圖3. 新型 TO247 ZthJW 熱阻網(wǎng)絡(luò) A(每個開關(guān))

ZthCH_TD 和 ZthHW_TD 是 IGBT 分立熱阻網(wǎng)絡(luò)中每個開關(guān)的熱阻，可從 Ansys FEM 仿真中提取。

03

新型TO247 ZthJW熱阻網(wǎng)絡(luò)B

(全耦合)

3.1

新型TO247 ZthJW熱阻網(wǎng)絡(luò)B的結(jié)構(gòu)

(全耦合)

圖4. 新型 TO247 ZthJW 熱阻網(wǎng)絡(luò) B(全耦合)

ZthCH_T2D 和 ZthHW_T2D 表示FWD受 IGBT 影響的熱阻；ZthCH_D2T 和 ZthHW_D2T 表示IGBT受 FWD 影響的熱阻，也可從Ansys FEM仿真中提取。

04

基于三種 ZthJW 熱阻網(wǎng)絡(luò)的

系統(tǒng)仿真分析與比較

4.1

基于可回流焊接 IGBT 分立器件的系統(tǒng)設(shè)置

圖5. 回流焊版 TO247 解決方案的相關(guān)Setup和材料數(shù)據(jù)

4.2

三種 ZthJW 熱阻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與提取

根據(jù)上述材料數(shù)據(jù),本文在 Ansys 中建立了三維模型, 并進行了以下一些典型工況仿真：

案例 1: 僅 IGBT 芯片發(fā)熱

案例 2: 僅續(xù)流二極管FWD芯片發(fā)熱

情況 3: IGBT 和 FWD 芯片均發(fā)熱(典型電動模式)

情況 4: IGBT 和 FWD 芯片均發(fā)熱(典型發(fā)電模式)

基于上述仿真，提取 ZthJW 熱阻網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵 Rth 值，如下:

傳統(tǒng) TO247 ZthJW 熱網(wǎng)絡(luò)

新型 TO247 ZthJW 熱網(wǎng)絡(luò) A(每個開關(guān))

新型 TO247 ZthJW 熱網(wǎng)絡(luò) B(全耦合)

4.3

利用PLECS進行逆變器系統(tǒng)仿真分析和比較

圖6. 三種不同熱阻網(wǎng)絡(luò)在電動工況時的PLECS仿真對比

圖7. 三種不同熱阻網(wǎng)絡(luò)在發(fā)電工況時的PLECS仿真對比

如上，Tvj_T1x 和 Tvj_D1x 是傳統(tǒng)熱阻網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果，Tvj_T1y 和 Tvj_D1y 是新型熱阻網(wǎng)絡(luò) A 的模擬結(jié)果，Tvj_T1z 和 Tvj_D1z 是新型熱阻網(wǎng)絡(luò)B 的仿真結(jié)果。

05

結(jié)論

綜上分析，在單管器件主驅(qū)應用(如TO247)中，需考慮器件外部從殼到水的熱耦合影響。基于新型的熱阻網(wǎng)絡(luò)A和B的結(jié)構(gòu)，相對傳統(tǒng)熱阻網(wǎng)絡(luò)，可以獲得更準確的單管IGBT和FWD的結(jié)溫Tvj計算結(jié)果。