功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及功率模塊領(lǐng)域，特別涉及一種功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著節(jié)能環(huán)保的社會(huì)發(fā)展的要求，節(jié)能減排成為企業(yè)大力推廣的技術(shù)。變流器是 節(jié)能減排過(guò)程中一個(gè)重要的技術(shù)。變流器應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)，比如開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、UPS等 領(lǐng)域。功率模塊是變流器的核心，其熱可靠性的好壞直接關(guān)系整個(gè)變流器的可靠性。
[0003] 功率模塊通常包括功率開(kāi)關(guān)管和二極管。在使用過(guò)程中，功率模塊的功耗主要來(lái) 源于內(nèi)部的功率開(kāi)關(guān)管和二極管，功率開(kāi)關(guān)管和二極管的損耗包括導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗， 功率模塊的損耗對(duì)于功率模塊的應(yīng)用至關(guān)重要。結(jié)溫(Junction Temperature)是衡量從半 導(dǎo)體晶圓到封裝器件外殼間的散熱所需時(shí)間以及熱阻的重要指標(biāo)。如果器件工作溫度超過(guò) 最高結(jié)溫，器件就可能會(huì)被破壞，器件也隨即失效。所以，對(duì)于功率模塊的設(shè)計(jì)和應(yīng)用來(lái)說(shuō)， 有必要計(jì)算損耗并對(duì)結(jié)溫進(jìn)行仿真。然而，目前尚沒(méi)有專門(mén)的針對(duì)功率模塊的損耗和結(jié)溫 仿真的工具，必須通過(guò)工程師去手動(dòng)計(jì)算損耗與結(jié)溫，過(guò)程繁瑣，效率低下，且計(jì)算結(jié)果不 夠準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有的技術(shù) 問(wèn)題。
[0005] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)，包括用 戶界面單元和后臺(tái)處理單元，所述用戶界面單元用于接收功率模塊的電參數(shù)和熱參數(shù)以及 供用戶選擇功率模塊的型號(hào)和功率模塊使用的控制算法，所述后臺(tái)處理單元用于根據(jù)所述 功率模塊的電參數(shù)和熱參數(shù)、功率模塊的型號(hào)以及功率模塊使用的控制算法計(jì)算所述功率 模塊的損耗和結(jié)溫，并將所述功率模塊的損耗和結(jié)溫通過(guò)所述用戶界面單元顯示。
[0006] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，所述后臺(tái)處理單元根據(jù)輸 入的電參數(shù)以及所述功率模塊使用的控制算法計(jì)算所述功率模塊的損耗，根據(jù)所述功率模 塊的損耗以及輸入的熱參數(shù)計(jì)算所述功率模塊的結(jié)溫。
[0007] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，所述后臺(tái)處理單元包括存 儲(chǔ)單元以及計(jì)算單元，所述存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)有每種型號(hào)的功率模塊對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)熱阻以及功率 模塊使用的多種控制算法，所述計(jì)算單元根據(jù)所述功率模塊的電參數(shù)和熱參數(shù)、功率模塊 的型號(hào)以及功率模塊使用的控制算法計(jì)算所述功率模塊的損耗和結(jié)溫。
[0008]可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，所述功率模塊包括若干 IGBT以及若干二極管，所述功率模塊的損耗包括IGBT的導(dǎo)通損耗、IGBT的開(kāi)關(guān)損耗、二極管 的導(dǎo)通損耗以及二極管的開(kāi)關(guān)損耗，所述功率模塊的結(jié)溫包括IGBT的結(jié)溫和二極管的結(jié) 溫。
[0009]可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，所述后臺(tái)處理單元根據(jù)如 下公式計(jì)算單個(gè)IGBT的導(dǎo)通損耗Pssl:
[0010]
[0011] 其中，Μ為所述功率模塊的調(diào)制比，cos Φ為所述功率模塊的功率因素，Irms為所述 功率模塊的平均電流，VceQ(T j)為特定結(jié)溫T j下的IGBT閾值電壓，Rce(T j)為特定結(jié)溫T j下的 IGBT通態(tài)斜率電阻。
[0012] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，
[0013] 所述功率模塊的調(diào)制比M、所述功率模塊的功率因素 cos Φ和所述功率模塊的平均 電流Irms是通過(guò)所述用戶界面單元接收的電參數(shù)；
[0014] 所述存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)有如下參數(shù):常溫下IGBT閾值電壓VceQ_25、高溫下IGBT閾值 電壓V ceQ_l 25、常溫下IGBT通態(tài)斜率電阻Rce_25、高溫下IGBT通態(tài)斜率電阻Rce_l 25;
[0015] 所述計(jì)算單元根據(jù)如下公式計(jì)算所述特定結(jié)溫Tj下的IGBT閾值電壓Vce〇(Tj) :Vce〇 (Tj)=Vce〇_25+((Vce〇_125-Vce〇_25)/100*(Tj-25))；
[0016] 所述計(jì)算單元如下公式計(jì)算所述特定結(jié)溫Tj下的IGBT通態(tài)斜率電阻Rc；e(Tj) :Rce (Tj) =Rce_25+( (Rce_125-Rce_25)/100*(Tj-25)) 〇
[0017] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，通過(guò)提取功率模塊的規(guī)格 書(shū)中IGBT輸出曲線的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行線性化擬合獲得所述常溫下IGBT閾值電壓V ceQ_25、高 溫下IGBT閾值電壓VceQ_125、常溫下IGBT通態(tài)斜率電阻R ce_25、高溫下IGBT通態(tài)斜率電阻 Rce_125〇
[0018] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，所述后臺(tái)處理單元根據(jù)如 下公式計(jì)算單個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)損耗pswl:
[0020] 其中，fsw為功率模塊的開(kāi)關(guān)頻率，Irms為功率模塊的平均電流，1。"為功率模塊的額 定電流，Vd。為功率模塊的母線電壓，V cn為功率模塊的額定電壓，Eto 1 (T j)為特定結(jié)溫T j下 單個(gè)IGBT開(kāi)通和關(guān)斷一次的總損耗。
[0021] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，當(dāng)Irms/Icn〈l/10時(shí)，所述后 臺(tái)處理單元根據(jù)如下公式計(jì)算單個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)損耗Pswi:
[0023] 其中，fsw為功率模塊的開(kāi)關(guān)頻率，Irms為功率模塊的平均電流，I?為功率模塊的額 定電流，Vd。為功率模塊的母線電壓，V cn為功率模塊的額定電壓，Eto 1 (T j)為特定結(jié)溫T j下 單個(gè)IGBT開(kāi)通和關(guān)斷一次的總損耗，k為修正系數(shù)。
[0024] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，所述功率模塊的開(kāi)關(guān)頻率 fsw、功率模塊的平均電流Irms和功率模塊的母線電壓Vd。是通過(guò)所述用戶界面單元接收的電 參數(shù)；
[0025] 所述存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)有如下參數(shù):功率模塊的額定電流1。"、功率模塊的額定電壓 Vcn、門(mén)級(jí)電阻Rg、IGBT常溫下開(kāi)關(guān)損耗Etol_25和IGBT高溫下開(kāi)關(guān)損耗Etol_125;
[0026]所述計(jì)算單元根據(jù)如下公式計(jì)算特定結(jié)溫Tj下單個(gè)IGBT開(kāi)通和關(guān)斷一次的總損 耗Etol(Tj):Etol(Tj)=Etol_25+((Etol_125-Etol_25)/100*(Tj-25))。
[0027]可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，
[0028]對(duì)于門(mén)極電阻Rg固定的功率模塊，通過(guò)測(cè)試固定的門(mén)極電阻Rg下的開(kāi)關(guān)損耗得到 所述IGBT常溫下開(kāi)關(guān)損耗Etol_25和IGBT高溫下開(kāi)關(guān)損耗Etol_125;
[0029] 對(duì)于門(mén)極電阻Rg可變的功率模塊，根據(jù)功率模塊的規(guī)格書(shū)中的Etol-Rg曲線，選取 25°C時(shí)Etol-I?g曲線中額定條件下的門(mén)極電阻Rgl_25和其對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)損耗Etoll_25以及最 大的門(mén)極電阻Rg2_25和其對(duì)應(yīng)的Etol2_25,選取125°C時(shí)EtoUg曲線中額定條件下的門(mén)極 電阻Rgl_125和其對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)損耗Etoll_125以及最大的門(mén)極電阻Rg2_125和其對(duì)應(yīng)的 Etol2_125,并根據(jù)如下公式得到所述IGBT常溫下開(kāi)關(guān)損耗Etol_25和IGBT高溫下開(kāi)關(guān)損耗 Etol_125：
[0030] Etol_25=Etoll_25+(Etol2_25-Etoll_25)/(Rg2_25-Rgl_25)*(Rg-Rgl_25);
[0031] Etol_125=Etoll_125+(Etol2_125-Etoll_125)/(Rg2_125-Rgl_125)*(Rg-Rgl_ 125)。
[0032] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，所述后臺(tái)處理單元根據(jù)如 下公式計(jì)算所述二極管的導(dǎo)通損耗Pss2:
[0033]
[0034] 其中，Μ為功率模塊的調(diào)制比，cos Φ為功率模塊的功率因素，Irms為功率模塊的平 均電流，Vd〇 (T j)為特定結(jié)溫T j下的二極管閾值電壓，Rd (T j)為特定結(jié)溫T j下的二極管通態(tài) 斜率電阻。
[0035] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，
[0036] 所述功率模塊的調(diào)制比M、所述功率模塊的功率因素 cos Φ和所述功率模塊的平均 電流Irms是通過(guò)所述用戶界面單元接收的電參數(shù)；
[0037]所述存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)有如下參數(shù):二極管常溫下閾值電壓Vd〇_25、二極管高溫下閾值 電壓Vd〇_125、二極管常溫下通態(tài)斜率電阻Rd_25、二極管高溫下通態(tài)斜率電阻Rd_l 25;
[0038] 所述計(jì)算單元根據(jù)如下公式計(jì)算所述特定結(jié)溫Tj下的二極管閾值電壓Vdo(Tj): Vd〇(Tj) =Vd〇_25+( (Vd〇_125-Vd〇_25)/100*(Tj-25))
[0039] 所述計(jì)算單元根據(jù)如下公式計(jì)算所述特定結(jié)溫Tj下的二極管通態(tài)斜率電阻Rd (T j): Rd (T j) = Rd_25+((Rd_l 25-Rd_25)/100* (T j-25))。
[0040] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，通過(guò)提取功率模塊的規(guī)格 書(shū)中二極管正向曲線的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行線性化擬合獲得所述二極管常溫下閾值電壓V d0_ 25、二極管高溫下閾值電壓Vd〇_125、二極管常溫下通態(tài)斜率電阻Rd_25、二極管高溫下通態(tài) 斜率電阻Rd_125。
[0041] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，所述后臺(tái)處理單元根據(jù)如 下公式計(jì)算二極管的開(kāi)關(guān)損耗Psw2:
[0043]其中，fsw為功率模塊的開(kāi)關(guān)頻率，Irms為功率模塊的平均電流，I?為功率模塊的額 定電流，Vd。為功率模塊的母線電壓，Vcn為功率模塊的額定電壓，Eof f (T j)為特定結(jié)溫T j下 單個(gè)二極管的關(guān)斷損耗。
[0044]可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，當(dāng)Irms/Icn〈l/10時(shí)，所述后 臺(tái)處理單元根據(jù)如下公式計(jì)算二極管的關(guān)斷損耗Psw2:
[0046] 其中，fsw為功率模塊的開(kāi)關(guān)頻率，Irms為功率模塊的平均電流，1。"為功率模塊的額 定電流，Vd。為功率模塊的母線電壓，V cn為功率模塊的額定電壓，Eof f (T j)為特定結(jié)溫T j下 單個(gè)二極管的關(guān)斷損耗，k為修正系數(shù)。
[0047] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，所述功率模塊的開(kāi)關(guān)頻率 fsw、功率模塊的平均電流Irms和功率模塊的母線電壓Vd。是通過(guò)所述用戶界面單元接收的電 參數(shù)；
[0048] 所述存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)有如下參數(shù):功率模塊的額定電流1。"、功率模塊的額定電壓 Vcn、門(mén)級(jí)電阻Rg、二極管常溫下關(guān)斷損耗Eoff_25、二極管高溫下關(guān)斷損耗Eoff_125、
[0049]所述計(jì)算單元根據(jù)如下公式計(jì)算特定結(jié)溫Tj下單個(gè)二極管的關(guān)斷損耗Eoff(Tj): Eoff(Tj)=Eoff_25+((Eoff_125-EofT_25)/100*(Tj-25))。
[0050] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，根據(jù)如下公式計(jì)算所述 IGBT的結(jié)溫Tjl:
[0051] Tjl=Tc+Pl*Rjc;
[0052] 其中，Tc為殼溫，Rjc為IGBT的穩(wěn)態(tài)熱阻，P1為單個(gè)IGBT的損耗。
[0053]可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，所述單個(gè)IGBT的損耗為單 個(gè)IGBT的導(dǎo)通損耗與單個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)損耗之和。
[0054] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，所述殼溫Tc是通過(guò)所述用 戶界面單元接收的熱參數(shù)，所述存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)有各種型號(hào)的功率模塊對(duì)應(yīng)的IGBT的穩(wěn)態(tài) 熱阻Rjc 〇
[0055] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，根據(jù)如下公式計(jì)算所述二 極管的結(jié)溫Tj2:
[0056] Tj2 = Tc+P2*Rjcd;
[0057] 其中，Tc為殼溫，Rjcd為二極管的穩(wěn)態(tài)熱阻，P2為單個(gè)二極管的損耗。
[0058] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結(jié)溫仿真系統(tǒng)中，所述單個(gè)二極管的損耗為 單個(gè)二極管的導(dǎo)通損耗與單個(gè)二極管的關(guān)斷損耗之