主驱逆变器应用中不同 Zth 模型对分立 IGBT Tvj 计算的影响

*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。