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/ 摘要/
在 xEV 應(yīng)用的主驅(qū)逆變器中，關(guān)于 IGBT 分立器件熱阻網(wǎng)絡(luò)建模和虛擬結(jié)溫計(jì)算的研究和論文相對較少。本文基于最新的可回流焊接分立式 IGBT 產(chǎn)品(TO247)，通過 Ansys FEM 3D 建模和熱阻提取，以及典型逆變器條件下的 PLECS 仿真,比較和分析了分立式 IGBT 的三種不同熱阻網(wǎng)絡(luò)模型(外殼和冷卻水之間)，以及其對 IGBT 和 FWD 虛擬結(jié)溫計(jì)算的影響。
01 傳統(tǒng)TO247 ZthJW熱阻網(wǎng)絡(luò)分析
1.1 傳統(tǒng)TO247 ZthJW熱阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
圖1. 傳統(tǒng) TO247 ZthJW 熱阻網(wǎng)絡(luò)
從 Tvj 到 Tw 的 TO247 IGBT 離散熱阻網(wǎng)絡(luò)和 FWD 相互獨(dú)立，互不影響。
1.2 TO247 ZthJW熱阻網(wǎng)絡(luò)的熱耦合分析
圖2. TO247 ZthJW 熱阻網(wǎng)絡(luò)的熱耦合分析
基于FEM熱仿真分析后，熱耦合主要在器件外殼(Case)與水(Water)之間，器件內(nèi)部結(jié)(Junction)與殼(Case)的熱耦合影響相對可忽略。
02 新型TO247 ZthJW熱阻網(wǎng)絡(luò)A(每個(gè)開關(guān))
2.1 新型 TO247 ZthJW 熱阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)A的結(jié)構(gòu)(每個(gè)開關(guān))
圖3. 新型 TO247 ZthJW 熱阻網(wǎng)絡(luò) A(每個(gè)開關(guān))
ZthCH_TD 和 ZthHW_TD 是 IGBT 分立熱阻網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)開關(guān)的熱阻，可從 Ansys FEM 仿真中提取。
03 新型TO247 ZthJW熱阻網(wǎng)絡(luò)B(全耦合)
3.1 新型TO247 ZthJW熱阻網(wǎng)絡(luò)B的結(jié)構(gòu)(全耦合)
圖4. 新型 TO247 ZthJW 熱阻網(wǎng)絡(luò) B(全耦合)
ZthCH_T2D 和 ZthHW_T2D 表示FWD受 IGBT 影響的熱阻；ZthCH_D2T 和 ZthHW_D2T 表示IGBT受 FWD 影響的熱阻，也可從Ansys FEM仿真中提取。
04 基于三種 ZthJW 熱阻網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)仿真分析與比較
4.1 基于可回流焊接 IGBT 分立器件的系統(tǒng)設(shè)置
圖5. 回流焊版 TO247 解決方案的相關(guān)Setup和材料數(shù)據(jù)
4.2 三種 ZthJW 熱阻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與提取
根據(jù)上述材料數(shù)據(jù),本文在 Ansys 中建立了三維模型, 并進(jìn)行了以下一些典型工況仿真：
案例 1: 僅 IGBT 芯片發(fā)熱
案例 2: 僅續(xù)流二極管FWD芯片發(fā)熱
情況 3: IGBT 和 FWD 芯片均發(fā)熱(典型電動模式)
情況 4: IGBT 和 FWD 芯片均發(fā)熱(典型發(fā)電模式)
基于上述仿真，提取 ZthJW 熱阻網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵 Rth 值，如下:
傳統(tǒng) TO247 ZthJW 熱網(wǎng)絡(luò)
新型 TO247 ZthJW 熱網(wǎng)絡(luò) A(每個(gè)開關(guān))
新型 TO247 ZthJW 熱網(wǎng)絡(luò) B(全耦合)
4.3 利用PLECS進(jìn)行逆變器系統(tǒng)仿真分析和比較
圖6. 三種不同熱阻網(wǎng)絡(luò)在電動工況時(shí)的PLECS仿真對比
圖7. 三種不同熱阻網(wǎng)絡(luò)在發(fā)電工況時(shí)的PLECS仿真對比
如上，Tvj_T1x 和 Tvj_D1x 是傳統(tǒng)熱阻網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果，Tvj_T1y 和 Tvj_D1y 是新型熱阻網(wǎng)絡(luò) A 的模擬結(jié)果，Tvj_T1z 和 Tvj_D1z 是新型熱阻網(wǎng)絡(luò)B 的仿真結(jié)果。
05 結(jié)論
綜上分析，在單管器件主驅(qū)應(yīng)用(如TO247)中，需考慮器件外部從殼到水的熱耦合影響?；谛滦偷臒嶙杈W(wǎng)絡(luò)A和B的結(jié)構(gòu)，相對傳統(tǒng)熱阻網(wǎng)絡(luò)，可以獲得更準(zhǔn)確的單管IGBT和FWD的結(jié)溫Tvj計(jì)算結(jié)果。