PCIM2024论文摘要|主驱逆变器应用中不同Zth模型对分立IGBTTvj计算的影响

原创 英飞凌工业半导体 2024-08-16 17:04

*本论文摘要由PCIM官方授权发布


/ 摘要/

在 xEV 应用的主驱逆变器中,关于 IGBT 分立器件热阻网络建模和虚拟结温计算的研究和论文相对较少。本文基于最新的可回流焊接分立式 IGBT 产品(TO247),通过 Ansys FEM 3D 建模和热阻提取,以及典型逆变器条件下的 PLECS 仿真,比较和分析了分立式 IGBT 的三种不同热阻网络模型(外壳和冷却水之间),以及其对 IGBT 和 FWD 虚拟结温计算的影响。



01

传统TO247 ZthJW热阻网络分析 


1.1 

传统TO247 ZthJW热阻网络结构



图1. 传统 TO247 ZthJW 热阻网络


从 Tvj 到 Tw 的 TO247 IGBT 离散热阻网络和 FWD 相互独立,互不影响。


1.2 

TO247 ZthJW热阻网络的热耦合分析



图2. TO247 ZthJW 热阻网络的热耦合分析


基于FEM热仿真分析后,热耦合主要在器件外壳(Case)与水(Water)之间,器件内部结(Junction)与壳(Case)的热耦合影响相对可忽略。


02

新型TO247 ZthJW热阻网络A

(每个开关) 


2.1 

新型 TO247 ZthJW 热阻网络结构

A的结构(每个开关)



图3. 新型 TO247 ZthJW 热阻网络 A(每个开关)


ZthCH_TD 和 ZthHW_TD 是 IGBT 分立热阻网络中每个开关的热阻,可从 Ansys FEM 仿真中提取。


03

新型TO247 ZthJW热阻网络B

(全耦合) 


3.1 

新型TO247 ZthJW热阻网络B的结构

(全耦合)



图4. 新型 TO247 ZthJW 热阻网络 B(全耦合)


ZthCH_T2D 和 ZthHW_T2D 表示FWD受 IGBT 影响的热阻;ZthCH_D2T 和 ZthHW_D2T 表示IGBT受 FWD 影响的热阻,也可从Ansys FEM仿真中提取。


04

基于三种 ZthJW 热阻网络的

系统仿真分析与比较


4.1 

基于可回流焊接 IGBT 分立器件的系统设置


图5. 回流焊版 TO247 解决方案的相关Setup和材料数据


4.2 

三种 ZthJW 热阻网络参数与提取


根据上述材料数据,本文在 Ansys 中建立了三维模型, 并进行了以下一些典型工况仿真:


  • 案例 1: 仅 IGBT 芯片发热

  • 案例 2: 仅续流二极管FWD芯片发热

  • 情况 3: IGBT 和 FWD 芯片均发热(典型电动模式)

  • 情况 4: IGBT 和 FWD 芯片均发热(典型发电模式)


基于上述仿真,提取 ZthJW 热阻网络的关键 Rth 值,如下:   


传统 TO247 ZthJW 热网络



新型 TO247 ZthJW 热网络 A(每个开关)



  新型 TO247 ZthJW 热网络 B(全耦合)



4.3 

利用PLECS进行逆变器系统仿真分析和比较


图6. 三种不同热阻网络在电动工况时的PLECS仿真对比


图7. 三种不同热阻网络在发电工况时的PLECS仿真对比


如上,Tvj_T1x 和 Tvj_D1x 是传统热阻网络的仿真结果,Tvj_T1y 和 Tvj_D1y 是新型热阻网络 A 的模拟结果,Tvj_T1z 和 Tvj_D1z 是新型热阻网络B 的仿真结果。


05

结论


综上分析,在单管器件主驱应用(如TO247)中,需考虑器件外部从壳到水的热耦合影响。基于新型的热阻网络A和B的结构,相对传统热阻网络,可以获得更准确的单管IGBT和FWD的结温Tvj计算结果。


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