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仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析

發(fā)布時(shí)間:2021-09-05 來源:英飛凌科技大中華區(qū)應(yīng)用工程師 張浩 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】如何評(píng)估IGBT模塊的損耗與結(jié)溫?英飛凌官網(wǎng)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(duì)IPOSIM仿真中的散熱器熱阻參數(shù)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(開關(guān))的散熱器熱阻
 
●    折算思路:對(duì)于常規(guī)模塊,先確定散熱器的總熱阻,再根據(jù)散熱器包含的Switch數(shù)量,折算出熱阻Rthha。對(duì)于PIM模塊,其散熱器熱阻需要額外計(jì)算。
 
一、兩電平仿真中的Rthha的定義與設(shè)置
 
在兩電平逆變拓?fù)渲?,每個(gè)Switch基本單元為:T1+D1
 
仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析
 
兩電平舉例說明:3XFF600R12KE4 per Inverter
 
仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析
 
(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?fù)?。假設(shè)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(shè)置
 
三電平的拓?fù)湎鄬?duì)復(fù)雜一些,以常見的三種拓?fù)銷PC1、NPC2和ANPC為例,分別進(jìn)行說明:
 
仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析
 
在NPC1拓?fù)渲?,每個(gè)Switch基本單元為:T1+D1+T2+D2+D5
 
仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析
 
在NPC2拓?fù)渲?,每個(gè)Switch基本單元為:T1+D1+T2+D2
 
仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析
 
在ANPC拓?fù)渲校總€(gè)Switch基本單元為:T1+D1+T2+D2+T5+D5
 
三電平NPC1舉例說明:
 
3XF3L150R07W2E3_B11 per Inverter
 
仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析
 
(F3L150R07W2E3_B11)
 
在中小功率的三電平應(yīng)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(nèi)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?fù)?。假設(shè)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舉例說明:
 
3XFF600R12ME4_B72 per phase
 
仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析
(FF600R12ME4_B72)
 
在大功率的三電平應(yīng)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?fù)涞哪骋幌?。假設(shè)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(shè)置
 
在中小功率的變頻器應(yīng)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。
 
仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析
 
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。
 
仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析
 
考慮到模塊內(nèi)整流部分和逆變部分的相互影響,我們可分別計(jì)算逆變(Inv)和整流(Rec)部分的Switch對(duì)應(yīng)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(yīng)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,分別以常見白模塊和黑模塊三電平NPC1拓?fù)錇槔?,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:
 
仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析
仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析
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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:
 
仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析
仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析
仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析
 
因此,需考慮最惡劣工況下的熱阻,或者在不同工況仿真時(shí),采取不同的散熱器熱阻應(yīng)對(duì),以獲得更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。
 
綜上所述,文章總結(jié)了在IPOSIM中Rthha參數(shù),在兩電平和三電平應(yīng)用中的定義與設(shè)置,以及一些常見的問題,期望對(duì)大家如何正確選取Rthha進(jìn)行準(zhǔn)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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