基于电-热耦合模型的IGBT模块结温计算方法

李玲玲，许亚恵，李志刚

（河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津300130）

基于电-热耦合模型的IGBT模块结温计算方法

李玲玲，许亚恵，李志刚

（河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津300130）

温度循环下的疲劳累计损伤是IGBT模块失效的主要原因，计算IGBT模块的结温对预测其寿命具有重要意义。为了研究IGBT模块工作过程中结温变化情况，首先通过计算IGBT和FWD的功率损耗建立了IGBT模块电模型，然后在分析IGBT模块热传导方式的基础上建立了IGBT模块热模型，进而基于电模型和热模型建立了IGBT模块的电-热耦合模型，最后以三相桥式逆变器为例对IGBT和FWD的结温进行了仿真分析。结果表明，由于IGBT和FWD处于开关状态，两者的结温波形均呈波动形状，且波动均值经过短时间上升后稳定于一恒定值，所以逆变器用IGBT模块开始工作后经短时间的热量积累最终达到热稳定状态；由于IGBT的开关损耗比FWD大，使得IGBT结温受开关频率的影响较大。

IGBT模块；结温；功率损耗；电-热耦合模型

绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）综合了双极型三极管和绝缘栅型场效应管两者的优点，具有开关速度快、输入阻抗高、导通压降低和载流密度大等优点，广泛应用于智能电网、交通运输及家用电器等关键领域，故IGBT的可靠性问题成为研究热点。因IGBT模块内部各层材料的热膨胀系数不同［1］，工作中IGBT模块在功率循环波动下内部相互连接处热机械应力不同，长期承受功率循环最终导致器件失效，故研究IGBT结温计算方法对评估其工作状态具有重要意义［2］。

IGBT结温获取方法［3］主要有：热传感器测量法［4-5］、红外探测法［6-7］、电参数间接测量法［8-11］、迭代数值计算方法［12］电-热耦合仿真分析法［13-15］。热传感器测量法属于接触式测温，会带来一定接触应力，而且响应速度慢，不能实时测温；红外探测法虽属于非接触式测量，不仅可以获得整个芯片表面优点的温度分布及键合引线温度的动态变化过程，而且可以实时测量，但测量设备必须为高速红外设备，价格昂贵；电参数法可实现温度的在线测量，但该方法是对IGBT结温的粗略估算，测量精度低；电-热耦合仿真分析法主要根据其电气特性和传热特性建立电-热耦合模型，不仅能预测IGBT的稳态结温，也能预测IGBT的瞬态结温，因此该方法应用较为广泛。

1 IGBT模块电模型

三相桥式逆变电路如图1所示，详细介绍电-热耦合模型的建立过程，逆变器采用双极型SPWM线性调制方式，开关频率为fsw，调制波频率为f，负载为感性，调制波为Ur，IGBT模块型号为宏微公司的MMG75S120B6HN。

图1 三相桥式逆变电路Fig.1 Three-phase six legs inverter circuit

三相逆变电路结构对称，U、V、W三相IGBT和反并联二极管FWD的电流、电压波形仅存在相位差，故只需要对单个IGBT与FWD进行损耗分析即可。IGBT模块的功率损耗包括IGBT的功率损耗PI和FWD的功率损耗PD两部分,由于IGBT的截止损耗，FWD的截止损耗和开通损耗在总损耗中占的比例很小，所以对于IGBT仅需计算其通态损耗和开关损耗，对于FWD仅需计算其通态损耗和关断损耗。

1.1 IGBT功率损耗

IGBT在一个开关周期内的平均功率损耗包括两部分，即

式中；PIc为IGBT开关周期内的平均通态损耗；PIs为IGBT开关周期内的平均开关损耗。

由于感性负载的时间常数远大于IGBT开关周期Tsw，在一个开关周期的开通时间内负载电流可认为恒定不变，故一个开关周期内IGBT平均通态损耗为

式中：Vce为IGBT的集射极电压；ic为IGBT的集电极电流；δ（t）为IGBT的占空比；。

IGBT的伏安特性曲线近似为线性，则Vce可近似表示为

式中：Vceo为初始饱和压降；rce为导通电阻。Vceo与rce均受温度影响，并随温度线性变化，即

式中：Vceo_25℃为25℃时IGBT的初始饱和压降；rce_25℃为25℃时IGBT的导通电阻；Tj,I为IGBT的结温；KVceo，Krce分别为IGBT的初始饱和压降与导通电阻的温度系数。

IGBT开关时间非常短，其开通损耗和关断损耗计算困难，一般通过器件手册提供的额定工作状态时开关损耗乘以相关影响因子的系数得出，则一个开关周期内IGBT的平均开关损耗可表示为

式中：EI,on（ic）与EI,off（ic）分别为IGBT集电极电流为ic时的开通能耗与关断能耗，可根据器件手册的EonEoff-ic曲线获取；Kon（Rg）与Koff（Rg）分别为门极电阻Rg对IGBT开通能耗与关断能耗的影响系数，可根据器件手册的EonEoff-Rg曲线获取；Udc为逆变器直流侧电压；UN和IN分别为IGBT模块器件手册中开关能耗的测试电压和电流；K（Udc）为IGBT电压系数；K（Tj,I）为 IGBT温度系数，通常 K（Tj,I）=1+ 0.03（Tj,I-125）。

1.2 FWD功率损耗

FWD开关周期内平均功率损耗的计算过程与IGBT开关周期内平均功率损耗的计算过程类似，其在一个开关周期内的平均通态损耗PF_c与关断损耗PF_s分别为

式中：VFo_25℃为25℃时FWD的初始饱和压降；rF_25℃为25℃时FWD的导通电阻；Tj,F为FWD的结温；iF为FWD的电流；KVFo与KrF分别为FWD的初始饱和压降与导通电阻的温度系数；EF,rr（iF）为FWD电流为iF时FWD的关断能耗，可根据器件手册的Erec-iF曲线获取；KF（Rg）为门极电阻Rg对FWD关断能耗的影响系数，可根据器件手册的Erec-Rg曲线获取。

2 IGBT模块的热模型

目前，研究人员大多采用 Foster热网络和Cauer热网络模型对IGBT的结温进行计算，而Foster热网络模型参数容易获取，应用较为广泛。忽略对流和辐射，仅考虑IGBT模块竖直热传导，建立了虑散热器热阻抗在内的IGBT模块热网络模型，如图2所示。

图2 IGBT模块的热网络模型Fig.2 Thermal network of IGBT module

图2中，Zth,jc_I与Zth,jc_F分别为IGBT与FWD芯片到壳的等效热阻抗；Zth,ca为IGBT模块壳到环境的等效热阻抗；Ta为环境温度。

热阻抗曲线可近似表示为

根据式（9）运用Matlab软件对器件的瞬态热阻抗曲线进行拟合便可提取Foster热网络的热阻、热容参数［16］，MMG75S120B6HN型IGBT模块的等效热网络模型参数如表1所示。

表1 IGBT模块的热参数Tab.1 Thermal parameters of the IGBT module

3 IGBT模块的结温仿真

3.1 基于电-热耦合模型的IGBT模块结温仿真

根据上述结温计算方法，基于Matlab平台搭建IGBT模块的结温仿真模型，仿真参数为：Udc= 600 V，Ur=0.8 sin（100πt），Ta=298.15 K，fsw=8 kHz，f=50 Hz，IGBT和FWD的结温仿真结果分别如图3、图4所示。

由图3（a）、4（a）可见，IGBT和FWD的结温均是呈波动形状，且波动均值经过短时间上升后稳定于一恒定值。这是由于IGBT模块开始工作后功率损耗大于散热功率，IGBT和FWD结温波动上升，工作一段时间后IGBT模块功率损耗与散热功率趋于稳定，IGBT和FWD结温最终围绕一结温均值上下等幅振动；逆变器中IGBT和FWD处于开关状态，一个输出周期内的开关过程及通态状态两者产生的功率损耗使得结温上升，而在关断状态两者的功率损耗可以忽略不计，结温下降。由图3（b）、4（b）可见一个输出周期内IGBT和FWD结温上升速度比下降速度快，这是由于IGBT模块开关损耗较大，IGBT和FWD结温快速上升，而IGBT模块的散热功率小，IGBT和FWD结温缓慢下降。

图3 IGBT结温仿真结果Fig.3 Simulation results of IGBT junction temperature

图4 FWD结温仿真结果Fig.4 Simulation results of FWD junction temperature

3.2 开关频率对IGBT模块结温的影响

在第3.1节仿真条件下，改变开关频率fsw分别为4 kHz、16 kHz，IGBT和FWD的稳态结温仿真结果如图5、图6所示。

图5 fsw=4 kHz时IGBT模块结温仿真结果Fig.5 Simulation results of IGBT module junction temperature with fsw=4 kHz

为分析开关频率对IGBT模块结温的影响，计算不同开关频率下IGBT和FWD的稳态结温均值Tm和稳态结温波动幅度ΔT，结果如表2所示。

图6 fsw=16 kHz时IGBT模块结温仿真结果Fig.6 Simulated results of IGBT module junction temperature with fsw=16 kHz

由表2可知，IGBT和FWD的稳态结温均值Tm和稳态结温波动幅度ΔT均随开关频率的增大而增大。开关频率为4 kHz或8 kHz时，IGBT的稳态结温均值Tm和稳态结温波动幅度ΔT比FWD小；开关频率为16 kHz时，IGBT的稳态结温均值Tm和稳态结温波动幅度ΔT比FWD的大，所以IGBT的结温受开关频率的影响较大，这主要由于IGBT开关损耗比FWD的大造成。

表2 不同开关频率下IGBT和FWD的Tm和ΔTTab.2 The Tmand ΔT of IGBT and FWD with different switching frequencies K

4 结论

以三相桥式逆变器为例通过计算IGBT模块功率损耗和分析其热传导方式建立了电-热耦合模型，仿真分析了逆变器中IGBT和FWD结温变化情况，结论如下：

（1）IGBT模块开始工作后功率损耗大于散热功率，IGBT和FWD结温波动上升，工作一段时间后IGBT模块功率损耗与散热功率趋于稳定，IGBT和FWD结温最终围绕一结温均值上下等幅振动。

（2）IGBT和FWD的结温波形均是呈波动形状，即IGBT和FWD在一个输出周期内的半个周期工作产生功率损耗，两者结温均上升；在另半个周期截止，几乎不产生功率损耗，两者结温均下降；且由于IGBT模块损耗功率大于散热功率，IGBT和FWD在一个输出周期内结温的上升速度比下降速度快。

（3）由于IGBT的开关损耗比FWD大，使得IGBT结温比FWD结温受开关频率的影响大。

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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，博士生导师，研究方向：电器可靠性及其检测技术、电力系统及其自动化，E-mail：750346136 @qq.com。

许亚恵（1992-），女，硕士研究生，研究方向：电器可靠性及其检测技术，E-mail：747991766@qq.com。

李志刚（1958-），男，通信作者，教授，博士生导师，研究方向：电器可靠性及其检测技术，电子电器，E-mail：15920401 48@qq.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.23

TN 32

A

2016-07-11

国家自然科学基金资助项目（51475136）；国家科技支撑计划资助项目（2015BAA09B01）；河北省科技支撑计划资助项目（15212117）；河北省自然科学基金资助项目（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）