李玲玲，許亞恵，李志剛

（河北工業(yè)大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津300130）

基于電-熱耦合模型的IGBT模塊結溫計算方法

李玲玲，許亞恵，李志剛

（河北工業(yè)大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津300130）

溫度循環(huán)下的疲勞累計損傷是IGBT模塊失效的主要原因，計算IGBT模塊的結溫對預測其壽命具有重要意義。為了研究IGBT模塊工作過程中結溫變化情況，首先通過計算IGBT和FWD的功率損耗建立了IGBT模塊電模型，然后在分析IGBT模塊熱傳導方式的基礎上建立了IGBT模塊熱模型，進而基于電模型和熱模型建立了IGBT模塊的電-熱耦合模型，最后以三相橋式逆變器為例對IGBT和FWD的結溫進行了仿真分析。結果表明，由于IGBT和FWD處于開關狀態(tài)，兩者的結溫波形均呈波動形狀，且波動均值經(jīng)過短時間上升后穩(wěn)定于一恒定值，所以逆變器用IGBT模塊開始工作后經(jīng)短時間的熱量積累最終達到熱穩(wěn)定狀態(tài)；由于IGBT的開關損耗比FWD大，使得IGBT結溫受開關頻率的影響較大。

IGBT模塊；結溫；功率損耗；電-熱耦合模型

絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）綜合了雙極型三極管和絕緣柵型場效應管兩者的優(yōu)點，具有開關速度快、輸入阻抗高、導通壓降低和載流密度大等優(yōu)點，廣泛應用于智能電網(wǎng)、交通運輸及家用電器等關鍵領域，故IGBT的可靠性問題成為研究熱點。因IGBT模塊內(nèi)部各層材料的熱膨脹系數(shù)不同［1］，工作中IGBT模塊在功率循環(huán)波動下內(nèi)部相互連接處熱機械應力不同，長期承受功率循環(huán)最終導致器件失效，故研究IGBT結溫計算方法對評估其工作狀態(tài)具有重要意義［2］。

IGBT結溫獲取方法［3］主要有：熱傳感器測量法［4-5］、紅外探測法［6-7］、電參數(shù)間接測量法［8-11］、迭代數(shù)值計算方法［12］電-熱耦合仿真分析法［13-15］。熱傳感器測量法屬于接觸式測溫，會帶來一定接觸應力，而且響應速度慢，不能實時測溫；紅外探測法雖屬于非接觸式測量，不僅可以獲得整個芯片表面優(yōu)點的溫度分布及鍵合引線溫度的動態(tài)變化過程，而且可以實時測量，但測量設備必須為高速紅外設備，價格昂貴；電參數(shù)法可實現(xiàn)溫度的在線測量，但該方法是對IGBT結溫的粗略估算，測量精度低；電-熱耦合仿真分析法主要根據(jù)其電氣特性和傳熱特性建立電-熱耦合模型，不僅能預測IGBT的穩(wěn)態(tài)結溫，也能預測IGBT的瞬態(tài)結溫，因此該方法應用較為廣泛。

1 IGBT模塊電模型

三相橋式逆變電路如圖1所示，詳細介紹電-熱耦合模型的建立過程，逆變器采用雙極型SPWM線性調(diào)制方式，開關頻率為fsw，調(diào)制波頻率為f，負載為感性，調(diào)制波為Ur，IGBT模塊型號為宏微公司的MMG75S120B6HN。

圖1 三相橋式逆變電路Fig.1 Three-phase six legs inverter circuit

三相逆變電路結構對稱，U、V、W三相IGBT和反并聯(lián)二極管FWD的電流、電壓波形僅存在相位差，故只需要對單個IGBT與FWD進行損耗分析即可。IGBT模塊的功率損耗包括IGBT的功率損耗PI和FWD的功率損耗PD兩部分,由于IGBT的截止損耗，F(xiàn)WD的截止損耗和開通損耗在總損耗中占的比例很小，所以對于IGBT僅需計算其通態(tài)損耗和開關損耗，對于FWD僅需計算其通態(tài)損耗和關斷損耗。

1.1 IGBT功率損耗

IGBT在一個開關周期內(nèi)的平均功率損耗包括兩部分，即

式中；PIc為IGBT開關周期內(nèi)的平均通態(tài)損耗；PIs為IGBT開關周期內(nèi)的平均開關損耗。

由于感性負載的時間常數(shù)遠大于IGBT開關周期Tsw，在一個開關周期的開通時間內(nèi)負載電流可認為恒定不變，故一個開關周期內(nèi)IGBT平均通態(tài)損耗為

式中：Vce為IGBT的集射極電壓；ic為IGBT的集電極電流；δ（t）為IGBT的占空比；。

IGBT的伏安特性曲線近似為線性，則Vce可近似表示為

式中：Vceo為初始飽和壓降；rce為導通電阻。Vceo與rce均受溫度影響，并隨溫度線性變化，即

式中：Vceo_25℃為25℃時IGBT的初始飽和壓降；rce_25℃為25℃時IGBT的導通電阻；Tj,I為IGBT的結溫；KVceo，Krce分別為IGBT的初始飽和壓降與導通電阻的溫度系數(shù)。

IGBT開關時間非常短，其開通損耗和關斷損耗計算困難，一般通過器件手冊提供的額定工作狀態(tài)時開關損耗乘以相關影響因子的系數(shù)得出，則一個開關周期內(nèi)IGBT的平均開關損耗可表示為

式中：EI,on（ic）與EI,off（ic）分別為IGBT集電極電流為ic時的開通能耗與關斷能耗，可根據(jù)器件手冊的EonEoff-ic曲線獲??；Kon（Rg）與Koff（Rg）分別為門極電阻Rg對IGBT開通能耗與關斷能耗的影響系數(shù)，可根據(jù)器件手冊的EonEoff-Rg曲線獲??；Udc為逆變器直流側電壓；UN和IN分別為IGBT模塊器件手冊中開關能耗的測試電壓和電流；K（Udc）為IGBT電壓系數(shù)；K（Tj,I）為 IGBT溫度系數(shù)，通常 K（Tj,I）=1+ 0.03（Tj,I-125）。

1.2 FWD功率損耗

FWD開關周期內(nèi)平均功率損耗的計算過程與IGBT開關周期內(nèi)平均功率損耗的計算過程類似，其在一個開關周期內(nèi)的平均通態(tài)損耗PF_c與關斷損耗PF_s分別為

式中：VFo_25℃為25℃時FWD的初始飽和壓降；rF_25℃為25℃時FWD的導通電阻；Tj,F為FWD的結溫；iF為FWD的電流；KVFo與KrF分別為FWD的初始飽和壓降與導通電阻的溫度系數(shù)；EF,rr（iF）為FWD電流為iF時FWD的關斷能耗，可根據(jù)器件手冊的Erec-iF曲線獲取；KF（Rg）為門極電阻Rg對FWD關斷能耗的影響系數(shù)，可根據(jù)器件手冊的Erec-Rg曲線獲取。

2 IGBT模塊的熱模型

目前，研究人員大多采用 Foster熱網(wǎng)絡和Cauer熱網(wǎng)絡模型對IGBT的結溫進行計算，而Foster熱網(wǎng)絡模型參數(shù)容易獲取，應用較為廣泛。忽略對流和輻射，僅考慮IGBT模塊豎直熱傳導，建立了慮散熱器熱阻抗在內(nèi)的IGBT模塊熱網(wǎng)絡模型，如圖2所示。

圖2 IGBT模塊的熱網(wǎng)絡模型Fig.2 Thermal network of IGBT module

圖2中，Zth,jc_I與Zth,jc_F分別為IGBT與FWD芯片到殼的等效熱阻抗；Zth,ca為IGBT模塊殼到環(huán)境的等效熱阻抗；Ta為環(huán)境溫度。

熱阻抗曲線可近似表示為

根據(jù)式（9）運用Matlab軟件對器件的瞬態(tài)熱阻抗曲線進行擬合便可提取Foster熱網(wǎng)絡的熱阻、熱容參數(shù)［16］，MMG75S120B6HN型IGBT模塊的等效熱網(wǎng)絡模型參數(shù)如表1所示。

表1 IGBT模塊的熱參數(shù)Tab.1 Thermal parameters of the IGBT module

3 IGBT模塊的結溫仿真

3.1 基于電-熱耦合模型的IGBT模塊結溫仿真

根據(jù)上述結溫計算方法，基于Matlab平臺搭建IGBT模塊的結溫仿真模型，仿真參數(shù)為：Udc= 600 V，Ur=0.8 sin（100πt），Ta=298.15 K，fsw=8 kHz，f=50 Hz，IGBT和FWD的結溫仿真結果分別如圖3、圖4所示。

由圖3（a）、4（a）可見，IGBT和FWD的結溫均是呈波動形狀，且波動均值經(jīng)過短時間上升后穩(wěn)定于一恒定值。這是由于IGBT模塊開始工作后功率損耗大于散熱功率，IGBT和FWD結溫波動上升，工作一段時間后IGBT模塊功率損耗與散熱功率趨于穩(wěn)定，IGBT和FWD結溫最終圍繞一結溫均值上下等幅振動；逆變器中IGBT和FWD處于開關狀態(tài)，一個輸出周期內(nèi)的開關過程及通態(tài)狀態(tài)兩者產(chǎn)生的功率損耗使得結溫上升，而在關斷狀態(tài)兩者的功率損耗可以忽略不計，結溫下降。由圖3（b）、4（b）可見一個輸出周期內(nèi)IGBT和FWD結溫上升速度比下降速度快，這是由于IGBT模塊開關損耗較大，IGBT和FWD結溫快速上升，而IGBT模塊的散熱功率小，IGBT和FWD結溫緩慢下降。

圖3 IGBT結溫仿真結果Fig.3 Simulation results of IGBT junction temperature

圖4 FWD結溫仿真結果Fig.4 Simulation results of FWD junction temperature

3.2 開關頻率對IGBT模塊結溫的影響

在第3.1節(jié)仿真條件下，改變開關頻率fsw分別為4 kHz、16 kHz，IGBT和FWD的穩(wěn)態(tài)結溫仿真結果如圖5、圖6所示。

圖5 fsw=4 kHz時IGBT模塊結溫仿真結果Fig.5 Simulation results of IGBT module junction temperature with fsw=4 kHz

為分析開關頻率對IGBT模塊結溫的影響，計算不同開關頻率下IGBT和FWD的穩(wěn)態(tài)結溫均值Tm和穩(wěn)態(tài)結溫波動幅度ΔT，結果如表2所示。

圖6 fsw=16 kHz時IGBT模塊結溫仿真結果Fig.6 Simulated results of IGBT module junction temperature with fsw=16 kHz

由表2可知，IGBT和FWD的穩(wěn)態(tài)結溫均值Tm和穩(wěn)態(tài)結溫波動幅度ΔT均隨開關頻率的增大而增大。開關頻率為4 kHz或8 kHz時，IGBT的穩(wěn)態(tài)結溫均值Tm和穩(wěn)態(tài)結溫波動幅度ΔT比FWD??；開關頻率為16 kHz時，IGBT的穩(wěn)態(tài)結溫均值Tm和穩(wěn)態(tài)結溫波動幅度ΔT比FWD的大，所以IGBT的結溫受開關頻率的影響較大，這主要由于IGBT開關損耗比FWD的大造成。

表2 不同開關頻率下IGBT和FWD的Tm和ΔTTab.2 The Tmand ΔT of IGBT and FWD with different switching frequencies K

4 結論

以三相橋式逆變器為例通過計算IGBT模塊功率損耗和分析其熱傳導方式建立了電-熱耦合模型，仿真分析了逆變器中IGBT和FWD結溫變化情況，結論如下：

（1）IGBT模塊開始工作后功率損耗大于散熱功率，IGBT和FWD結溫波動上升，工作一段時間后IGBT模塊功率損耗與散熱功率趨于穩(wěn)定，IGBT和FWD結溫最終圍繞一結溫均值上下等幅振動。

（2）IGBT和FWD的結溫波形均是呈波動形狀，即IGBT和FWD在一個輸出周期內(nèi)的半個周期工作產(chǎn)生功率損耗，兩者結溫均上升；在另半個周期截止，幾乎不產(chǎn)生功率損耗，兩者結溫均下降；且由于IGBT模塊損耗功率大于散熱功率，IGBT和FWD在一個輸出周期內(nèi)結溫的上升速度比下降速度快。

（3）由于IGBT的開關損耗比FWD大，使得IGBT結溫比FWD結溫受開關頻率的影響大。

［1］Lutz J.IGBT-Modules:Design for reliability［C］.The 13th IEEE Power electronics and Applications（EPE）Conference.Barcelona,2009:1-3.

［2］Tian Bo,Qiao Wei,Wang Ze,et al.Monitoring IGBT’s health condition via junction temperature variations［C］.Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC）,2014 Twenty-Ninth Annual IEEE,2014:2550-2555.

［3］陳明,胡安.IGBT結溫模擬和探測方法比對研究［J］.電機與控制學報,2011,15（12）:44-49.Chen Ming,Hu An.Study on the junction temperature simulation and detection method of IGBT power electronic devices［J］.Electric Machines and Control,2011,15（12）:44-49（in Chinese）.

［4］Khatir Z,Carubelli S,Lecoq F.Real-time computation of thermal constraints in multichip power electronic devices［J］.IEEE Trans on Components and Packaging Technologies,2004,27（2）:337-344.

［5］Musallam M,Johnson C M.Real-Time compact thermal model for health management of power electronics［J］.IEEE Trans on Power Electronics,2010,25（6）:1416-1425.

［6］劉賓禮,陳明,唐勇,等.IGBT芯片測溫方法與溫度分布研究［J］.武漢理工大學學報,2013,37（2）:144-148.Liu Binli,Chen Ming,Tang Yong,et al.Research on temperature measurement methods and distribution of IGBT chip［J］.Journal of Wuhan University of Science and Technology,2013,37（2）:144-148（in Chinese）.

［7］Song Fangfang,He Xiaoqi,Lai Ping,et al.The study of infrared radiation thermal imaging technology for temperature testing［C］.International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging（ICEPT-HDP）, 2012:1336-1339.

［8］Sundaramoorthy V,Bianda E,Bloch R,et al.Online estimation of IGBT junction temperature（Tj）using gate-emitter voltage（Vge）at turn-off［C］.15th European Conference on Power Electronics and Applications（EPE）,2013:1-10.

［9］Avenas Y,Dupont L.Evaluation of IGBT thermo-sensitive electrical parameters under different dissipation conditions -comparison with infrared measurements［J］.Microelectron Reliab,2012,52（11）:2617-2626.

［10］Choi U M,Blaabjerg F,Iannuzzo F,et al.Junction temperature estimation method for a 600 V,30A IGBT module during converter operation［J］.Microelectron Reliab,2015, 5（9-10）:2022-2026.

［11］杜雄,李高顯,吳軍科,等.一種用于風電變流器可靠性評估的結溫數(shù)值計算方法 ［J］.中國電機工程學報,2015,35（11）:2813-2821.Du Xiong,Li Gaoxian,Wu Junke,et al.A junction temperature numerical calculation method for reliability evaluation in wind power converters［J］.Proceedings of the CSEE,2015, 35（11）:2813-2821（in Chinese）.

［12］孫鵬飛,羅皓澤,董玉斐,等.基于關斷延遲時間的大功率IGBT模塊結溫提取方法研究 ［J］.中國電機工程學報, 2015,35（13）:3366-3372.Sun Pengfei,Luo Haoze,Dong Yufei,et al.Junction temperature extraction of high power IGBT module based on turn-off delay time［J］.Proceedings of the CSEE,2015,35（13）:3366-3372（in Chinese）.

［13］Antonios J,Ginot N,Batard C,et al.A model reduction approach for constructing compact dynamic thermal models of IGBT-modules of inverters［J］.Microelectron Journal,2012, 43（6）:345-352.

［14］Nejadpak A,Nejadpak A,Mohammed O A.A physicsbased,dynamic electro-thermal model of silicon carbide power IGBT devices［C］.Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC）,2013 Twenty-Eighth Annual IEEE,2013:201-206.

［15］汪波,胡安,唐勇.基于電熱模型的IGBT結溫預測與失效分析［J］.電機與控制學報,2012,16（8）:87-93.Wang Bo,Hu An,Tang Yong.Junction temperature forecast and failure analysis of IGBT based on electro-thermal model［J］.Electric Machines and Control,2012,16（8）:87-93（in Chinese）.

［16］李輝,秦星,薛宏濤,等.雙饋風電機組變流器IGBT結溫計算與穩(wěn)態(tài)分析［J］.電機與控制學報,2015,19（8）:62-69.Li Hui,Qin Xing,Xue Hongtao,et al.Calculation and analysis of IGBT steady junction temperature of power converter for doubly fed wind turbine generator system［J］.Electric Machines and Control,2015,19（8）:62-69（in Chinese）.

Calculation Method of IGBT Module Junction Temperature Based on Electro-thermal Coupling Model

LI Lingling,XU Yahui,LI Zhigang
（Province-ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China）

The main reason for the failure of IGBT module is fatigue cumulative damage under temperature cycles, and the calculation of IGBT module junction temperature is of great significance to predict the lifetime of the module.In order to study the change of IGBT module junction temperature under working,the electrical model of IGBT module was established by calculating the power loss of IGBT and FWD firstly.Then,the thermal model of IGBT module was built based on the analysis of IGBT module heat conduction mode,and electro-thermal model of IGBT module was built based on the electrical model and thermal model.Finally,the junction temperature of the IGBT and FWD were simulation analysis using the three-phase bridge inverter for example.The results show that the junction temperature waveform of IGBT or FWD wave shape because IGBT works in on-off state,and the wave mean of junction temperature stability to a constant value after a short time rising,so IGBT module for inverter achieve thermal stability after short time heat accumulation.The switching loss of IGBT is larger than that of FWD,so IGBT junction temperature is greatly influenced by the switching frequency.

IGBT module;junction temperature;power loss;electro-thermal coupling model

李玲玲

李玲玲（1968-），女，博士，博士生導師，研究方向：電器可靠性及其檢測技術、電力系統(tǒng)及其自動化，E-mail：750346136 @qq.com。

許亞恵（1992-），女，碩士研究生，研究方向：電器可靠性及其檢測技術，E-mail：747991766@qq.com。

李志剛（1958-），男，通信作者，教授，博士生導師，研究方向：電器可靠性及其檢測技術，電子電器，E-mail：15920401 48@qq.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.23

TN 32

A

2016-07-11

國家自然科學基金資助項目（51475136）；國家科技支撐計劃資助項目（2015BAA09B01）；河北省科技支撐計劃資助項目（15212117）；河北省自然科學基金資助項目（E 2014202230）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51475136）;the National Sci-Tech Support Plan of China（2015BAA09B01）;Hebei Province Science and Technology Support Program（15212117）;Natural Science Foundation of Hebei Province of China（E2014202230）