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    仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析

    2021-08-17
    作者:英飛凌科技大中華區應用工程師 張浩
    來源:英飛凌
    關鍵詞: IGBT 英飛凌

      如何評估IGBT模塊的損耗與結溫?英飛凌官網在線仿真工具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Switch(開關)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Switch基本單元為:T1+D1

    image002.png

      兩電平舉例說明:3XFF600R12KE4 per Inverter

    image006.png

     ?。‵F600R12KE4)

      62mm封裝的半橋模塊如上,三個半橋模塊置于散熱器,組成完整的三相逆變拓撲。假設每個模塊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,以常見的三種拓撲NPC1、NPC2和ANPC為例,分別進行說明:

    image007.png

      在NPC1拓撲中,每個Switch基本單元為:T1+D1+T2+D2+D5

    image008.png

      在NPC2拓撲中,每個Switch基本單元為:T1+D1+T2+D2

    image015.png

      在ANPC拓撲中,每個Switch基本單元為:T1+D1+T2+D2+T5+D5

      三電平NPC1舉例說明:

      3XF3L150R07W2E3_B11 per Inverter

    image016.png

     ?。‵3L150R07W2E3_B11)

      在中小功率的三電平應用里,1個模塊就能裝下三電平的1個甚至3個橋臂。如Easy2B封裝的三電平模塊F3L150R07W2E3_B11,模塊內為1個NPC1橋臂,3個模塊置于散熱器上,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Switch基本單元,因此IPOSIM中Rthha為:0.05*6=0.30K/W。

      三電平ANPC舉例說明:

      3XFF600R12ME4_B72 per phase

     ?。‵F600R12ME4_B72)

    image017.png

      在大功率的三電平應用里,往往需要多個模塊才能組成1個三電平橋臂,如EconoDual3?封裝的半橋模塊FF600R12ME4_B72,3個模塊組成1個ANPC或NPC1的橋臂,同樣3個模塊置于散熱器上,只是三電平拓撲的某一相。假設3個模塊損耗一共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,常常會用到PIM模塊(包含整流、制動和逆變),如英飛凌最新IGBT7系列EasyPIM模塊FP25R12W2T7_B11。

    image018.png

      如下圖所示,是基于有限元熱仿真的散熱器表面溫度分布:環境溫度50℃,散熱器表面最高溫度82.3℃,其中每個整流二極管RD的損耗為3W,每個IGBT的損耗為10W,每個FWD的損耗為4W。

    image019.png

      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,而是會隨熱源的分布變化而變化。

      在一些大功率三電平的應用場合,一方面,各個模塊之間的損耗不同;同時,模塊間損耗差異還會隨著工況不同而變化,因此,需要格外關注此時散熱器總熱阻的變化情況。如下,分別以常見白模塊和黑模塊三電平NPC1拓撲為例,進行簡單的分析。

      案例一

      基于EconoDualTM3白模塊NPC1三電平,在某種水冷條件下,不同工況時的散熱器總熱阻:

    image021.png

    image022.png

    image023.png

      案例二

      基于PrimePACKTM3黑模塊NPC1三電平,在某種水冷條件下,不同工況時的散熱器總熱阻:

    微信截圖_20210817112741.png

      因此,需考慮最惡劣工況下的熱阻,或者在不同工況仿真時,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,以及一些常見的問題,期望對大家如何正確選取Rthha進行準確的IPOSIM仿真有所幫助。

      紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行。

      趕緊打開IPOSIM試試吧。


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