发明内容

本发明的目的在于提供一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法，以解决现有技术存在的问题，本发明充分考虑并联芯片温度差异，将动态电流不均衡及热耦合两种效应用解析公式描述，因此能够在短时间内快速扫描不同工况下并联芯片的最高结温，进而刻画IGBT模块的热安全运行域，对于功率器件的快速选型及变换器的安全高效设计具有重要的意义。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多芯片IGBT模块热安全运行域刻画方法，包括以下步骤；

步骤一：在ANSYS Q3D中建立IGBT模块的杂散电感提取模型，得到内部DBC布局的杂散电感矩阵；

步骤二：分析IGBT瞬态开通过程中电流分布不均匀的机理，利用步骤一中得到的杂散电感矩阵，建立IGBT模块内部各芯片开通损耗的不均匀模型；

步骤三：在COMSOL中建立IGBT模块热阻提取的有限元热模型，得到不同散热条件下各芯片的热阻，基于仿真得到的热阻数据，拟合得到IGBT模块内部芯片的热阻网络随散热性能变化的解析模型；

步骤四：结合上述建立的开通损耗的不均匀模型和热阻解析模型，在MATLAB脚本中编写多芯片IGBT模块的批量化结温计算程序，并基于不同工况下的最高芯片结温刻画器件的热安全运行域。

进一步地，步骤一中内部DBC布局的杂散电感矩阵包括各并联回路的自感及互感。

进一步地，步骤一中具体的提取过程为：

将DBC上铜层在芯片中点处断开并分别设置Source和Sink，前三次每次提取一个并联回路的所有杂散电感及互感L_C和M_C，最后一次提取键合线上的杂散电感L_W，提取频率设置为20MHz。

进一步地，步骤二中分析IGBT瞬态开通过程中电流分布不均匀的机理具体为：

当下桥臂接受到开通信号后，栅-射极电压逐步上升，当电压上升至大于阈值电压时，电流开始流过器件，此时各个芯片的栅极-发射极电压表示为公式(1)：

其中U_GO为栅极与模块AC端两点间电压，U_GEk为第k个芯片的栅射极电压，L_W为键合线上的杂散电感，i_{REF_k}为第k个芯片的开通电流，i_BC为BC两点间电流，L_Ci、M_{C_i}、M_{Ci_i+1}为不同回路的杂散电感、互感值；

假设不同回路的互感值M_{c2_1}和M_{c2_2}相差不大时，用公式(2)将互感解耦：

其中i_AB、i_BC分别为AB、BC两点间电流，M_{C_i}、M_{Ci_i+1}为不同回路的互感值；

将并联芯片间的损耗比例转化为开通时流过芯片的电流比例，如公式(3)所示：

将电流上升阶段用公式(4)线性化表示：

其中t_r为开通时的电流上升时间，除此之外，IGBT线性区电压和电流的关系用公式(5)近似表示：

其中β是由器件结构和掺杂浓度确定的常数，由数据手册提取，I_C为并联芯片的总开通电流，U_th为芯片的阈值电压，I_{REF_k}为第k个芯片用于表征损耗比例的等效电流值，联立公式(1)-(5)，得到芯片间的开通损耗比例为：

其中

其中L_EQC2＝L_C2-(M_{C2_2}+M_{C2_1})/2，L_EQC1＝L_C1-(M_{C1_2}+M_{C1_1})/2，L_EQC＝L_C-(M_{C_2}+M_{C_1})/2，I_REF＝[I_{REF_4},I _{REF_5},I _{REF_6}]^T，I＝[1,1,1]^T，E为三阶单位矩阵。

进一步地，根据开通损耗比例关系，得到单个芯片的单个芯片的不均匀开通损耗模型，如公式(9)-(12)所示：

其中E_{on_ref}，E_{off_ref}和E_{rr_ref}分别是功率模块忽略芯片之间的温差的总开通、关断和反向恢复损耗，△T_{j_i}是各个IGBT芯片的结温T_{j_i}与并联IGBT芯片的平均温度T_jav之差，△T_{dj_i}是各个二极管芯片的结温T_{dj_i}与并联二极管芯片的平均温度T_djav之间的差异。

进一步地，步骤三中各芯片的热阻包括自热阻和耦合热阻。

进一步地，步骤三中采用如下拟合公式得到每两个芯片间的耦合热阻：

R_thm,n＝a×h^b+c (13)

其中R_thm,n表示芯片m产生损耗时，芯片n的耦合热阻，h为对流换热系数，a,b和c为拟合系数，最终得到IGBT模块内部芯片的热阻网络随散热性能变化的解析模型如公式(14)所示：

进一步地，步骤四中在MATLAB脚本中编写多芯片IGBT模块的批量化结温计算程序，批量计算不同母线电压和负载电流下模块内部芯片的最高结温，首先设定扫描电压及电流的上下限，然后用公式(15)-(22)计算一个工频周期下各芯片的平均损耗，在计算过程中假定一个开关周期内电流是恒定的，同时假设一个工频周期内结温也为恒定；

其中i为开关周期的次数，I为输出电流的有效值，f_out为输出工频周期，f_W为器件的开关频率，Q为输出的功率因数，T_on(i)为第i个开关周期的导通时间，E_{CON_H}(i)，E_{DCON_H}(i)，E_{CON_L}(i)和E_{DCON_L}(i)分别是第i个开关周期上下桥臂IGBT和二极管芯片的导通损耗，将各芯片的损耗与热阻网络结合，得到各芯片的结温为：

T＝P×R_th+T_aI (23)

其中P＝[P_{IGBT_1},P_{Diode_1},P_{IGBT_2},P_{Diode_2}…P_{IGBT_6},P_{Diode_6}],T＝[T_{j_1},T_{dj_1},T_{j_2},T_{dj_2}…T_{j_6},T_{dj_6}]，由于损耗和结温具有很强的耦合关系，因此需要进行迭代至结温稳定，迭代收敛条件为：

其中n为迭代次数，当芯片中最高结温超过150℃，认定模块发生热失效，此时增大母线电压重复计算直至完成所有工况的扫描，即得到热安全域。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)现有IGBT模块的快速结温计算多基于查表法，将整个模块视为整体计算，不能得到并联芯片的具体损耗；本发明提出描述动态不均衡电流效应的损耗模型，进而能够准确计算单个芯片的功率损耗。

(2)现有IGBT模块的快速结温计算多基于一维的热阻，无法描述芯片间的热耦合效应，且热阻的值不随散热变化，与实际情况差异较大；本发明提出考虑热耦合效应的热阻矩阵模型，并建立热阻值与散热性能的解析表达式，能够准确计算不同散热条件下各个芯片的结温。

(3)本发明应用的损耗模型和热阻模型皆为解析表达式，具有很高的计算效率，能够在数秒内扫描上百个不同工况下芯片的最高结温。

(4)本发明具有广泛的应用的场合：不但适用在不同工况(驱动电阻，散热系统，开关频率等)下刻画器件的安全运行域，同时适用于EconoDUAL封装下不同功率等级的IGBT模块。