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作者：英飛凌科技大中華區應用工程師 張浩 如何評估IGBT模塊的損耗與結溫？英飛凌官網(wǎng)在線(xiàn)仿真工具IPOSIM，是IGBT模塊在選型階段的重要參考。這篇文章將針對IPOSIM仿真中的散熱器熱阻參數Rthha，給大家做一些清晰和深入的解析。 • IPOSIM中Rthha定義：折算到每個(gè)Switch(開(kāi)關(guān))的散熱器熱阻 • 折算思路：對于常規模塊，先確定散熱器的總熱阻，再根據散熱器包含的Switch數量，折算出熱阻Rthha。對于PIM模塊，其散熱器熱阻需要額外計算。 一、 兩電平仿真中的Rthha的定義與設置 在兩電平逆變拓撲中，每個(gè)Switch基本單元為：T1+D1 
兩電平舉例說(shuō)明：3XFF600R12KE4 per Inverter
(FF600R12KE4) 62mm封裝的半橋模塊如上，三個(gè)半橋模塊置于散熱器，組成完整的三相逆變拓撲。假設每個(gè)模塊200W損耗，散熱器的溫升30℃，則散熱器總熱阻為30℃/(200W*3)=0.05K/W。 散熱器總共包含了6個(gè)Switch基本單元，因此IPOSIM中Rthha為：0.05*6=0.30K/W。 二、 三電平仿真中的Rthha的定義與設置 三電平的拓撲相對復雜一些，以常見(jiàn)的三種拓撲N(xiāo)PC1、NPC2和ANPC為例，分別進(jìn)行說(shuō)明：
在NPC1拓撲中，每個(gè)Switch基本單元為：T1+D1+T2+D2+D5
在NPC2拓撲中，每個(gè)Switch基本單元為：T1+D1+T2+D2
在A(yíng)NPC拓撲中，每個(gè)Switch基本單元為：T1+D1+T2+D2+T5+D5 三電平NPC1舉例說(shuō)明： 3XF3L150R07W2E3_B11 per Inverter
(F3L150R07W2E3_B11) 在中小功率的三電平應用里，1個(gè)模塊就能裝下三電平的1個(gè)甚至3個(gè)橋臂。如Easy2B封裝的三電平模塊F3L150R07W2E3_B11，模塊內為1個(gè)NPC1橋臂，3個(gè)模塊置于散熱器上，組成完整的三電平的三相逆變拓撲。假設每個(gè)Easy2B模塊損耗200W, 散熱器的溫升30℃，則散熱器總熱阻為：30℃/(200W*3)=0.05K/W。 散熱器總共包含了6個(gè)Switch基本單元，因此IPOSIM中Rthha為：0.05*6=0.30K/W。 三電平ANPC舉例說(shuō)明： 3XFF600R12ME4_B72 per phase
(FF600R12ME4_B72) 在大功率的三電平應用里，往往需要多個(gè)模塊才能組成1個(gè)三電平橋臂，如EconoDual3™封裝的半橋模塊FF600R12ME4_B72，3個(gè)模塊組成1個(gè)ANPC或NPC1的橋臂，同樣3個(gè)模塊置于散熱器上，只是三電平拓撲的某一相。假設3個(gè)模塊損耗一共1200W，散熱器溫升50℃，則散熱器總熱阻為50℃/1200W=0.042K/W。 散熱器只包含了2個(gè)Switch基本單元，因此IPOSIM中Rthha為：0.042*2=0.084K/W。 三、 變頻器PIM模塊仿真中的Rthha的定義與設置 在中小功率的變頻器應用里，常常會(huì )用到PIM模塊(包含整流、制動(dòng)和逆變)，如英飛凌最新IGBT7系列EasyPIM模塊FP25R12W2T7_B11。
如下圖所示，是基于有限元熱仿真的散熱器表面溫度分布：環(huán)境溫度50℃，散熱器表面最高溫度82.3℃，其中每個(gè)整流二極管RD的損耗為3W，每個(gè)IGBT的損耗為10W，每個(gè)FWD的損耗為4W。
考慮到模塊內整流部分和逆變部分的相互影響，我們可分別計算逆變(Inv)和整流(Rec)部分的Switch對應的散熱器熱阻Rthha，其中： PIM模塊逆變部分的散熱器熱阻Rthha(Inv)=(82.3℃-50℃)/(10W+4W)=2.30K/W PS：如果按散熱器總熱阻X6去折算逆變部分的熱阻，會(huì )存在低估的情況： 散熱器總熱阻=(82.3℃-50℃)/(6*10W+6*4W+6*3W)=0.317K/W， 即0.317*6=1.90K/W， 比上述的熱阻值2.30K/W偏低約18%。 散熱器(總)熱阻在不同工況下的變化 散熱器的熱阻并非定值，而是會(huì )隨熱源的分布變化而變化。 在一些大功率三電平的應用場(chǎng)合，一方面，各個(gè)模塊之間的損耗不同；同時(shí)，模塊間損耗差異還會(huì )隨著(zhù)工況不同而變化，因此，需要格外關(guān)注此時(shí)散熱器總熱阻的變化情況。如下，分別以常見(jiàn)白模塊和黑模塊三電平NPC1拓撲為例，進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。 案例一 基于EconoDual™3白模塊NPC1三電平，在某種水冷條件下，不同工況時(shí)的散熱器總熱阻：
案例二 基于PrimePACK™3黑模塊NPC1三電平，在某種水冷條件下，不同工況時(shí)的散熱器總熱阻：
因此，需考慮最?lèi)毫庸r下的熱阻，或者在不同工況仿真時(shí)，采取不同的散熱器熱阻應對，以獲得更準確的仿真結果。 綜上所述，文章總結了在IPOSIM中Rthha參數，在兩電平和三電平應用中的定義與設置，以及一些常見(jiàn)的問(wèn)題，期望對大家如何正確選取Rthha進(jìn)行準確的IPOSIM仿真有所幫助。 紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行。 趕緊打開(kāi)IPOSIM試試吧。 |
