功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及功率模塊領域，特別涉及一種功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 隨著節(jié)能環(huán)保的社會發(fā)展的要求，節(jié)能減排成為企業(yè)大力推廣的技術。變流器是 節(jié)能減排過程中一個重要的技術。變流器應用在各個行業(yè)，比如開關電源、電機驅動、UPS等 領域。功率模塊是變流器的核心，其熱可靠性的好壞直接關系整個變流器的可靠性。
[0003] 功率模塊通常包括功率開關管和二極管。在使用過程中，功率模塊的功耗主要來 源于內部的功率開關管和二極管，功率開關管和二極管的損耗包括導通損耗和開關損耗， 功率模塊的損耗對于功率模塊的應用至關重要。結溫(Junction Temperature)是衡量從半 導體晶圓到封裝器件外殼間的散熱所需時間以及熱阻的重要指標。如果器件工作溫度超過 最高結溫，器件就可能會被破壞，器件也隨即失效。所以，對于功率模塊的設計和應用來說， 有必要計算損耗并對結溫進行仿真。然而，目前尚沒有專門的針對功率模塊的損耗和結溫 仿真的工具，必須通過工程師去手動計算損耗與結溫，過程繁瑣，效率低下，且計算結果不 夠準確。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有的技術 問題。
[0005] 為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)，包括用 戶界面單元和后臺處理單元，所述用戶界面單元用于接收功率模塊的電參數(shù)和熱參數(shù)以及 供用戶選擇功率模塊的型號和功率模塊使用的控制算法，所述后臺處理單元用于根據(jù)所述 功率模塊的電參數(shù)和熱參數(shù)、功率模塊的型號以及功率模塊使用的控制算法計算所述功率 模塊的損耗和結溫，并將所述功率模塊的損耗和結溫通過所述用戶界面單元顯示。
[0006] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，所述后臺處理單元根據(jù)輸 入的電參數(shù)以及所述功率模塊使用的控制算法計算所述功率模塊的損耗，根據(jù)所述功率模 塊的損耗以及輸入的熱參數(shù)計算所述功率模塊的結溫。
[0007] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，所述后臺處理單元包括存 儲單元以及計算單元，所述存儲單元存儲有每種型號的功率模塊對應的穩(wěn)態(tài)熱阻以及功率 模塊使用的多種控制算法，所述計算單元根據(jù)所述功率模塊的電參數(shù)和熱參數(shù)、功率模塊 的型號以及功率模塊使用的控制算法計算所述功率模塊的損耗和結溫。
[0008]可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，所述功率模塊包括若干 IGBT以及若干二極管，所述功率模塊的損耗包括IGBT的導通損耗、IGBT的開關損耗、二極管 的導通損耗以及二極管的開關損耗，所述功率模塊的結溫包括IGBT的結溫和二極管的結 溫。
[0009]可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，所述后臺處理單元根據(jù)如 下公式計算單個IGBT的導通損耗Pssl:
[0010]
[0011] 其中，Μ為所述功率模塊的調制比，cos Φ為所述功率模塊的功率因素，Irms為所述 功率模塊的平均電流，VceQ(T j)為特定結溫T j下的IGBT閾值電壓，Rce(T j)為特定結溫T j下的 IGBT通態(tài)斜率電阻。
[0012] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，
[0013] 所述功率模塊的調制比M、所述功率模塊的功率因素 cos Φ和所述功率模塊的平均 電流Irms是通過所述用戶界面單元接收的電參數(shù)；
[0014] 所述存儲單元中存儲有如下參數(shù):常溫下IGBT閾值電壓VceQ_25、高溫下IGBT閾值 電壓V ceQ_l 25、常溫下IGBT通態(tài)斜率電阻Rce_25、高溫下IGBT通態(tài)斜率電阻Rce_l 25;
[0015] 所述計算單元根據(jù)如下公式計算所述特定結溫Tj下的IGBT閾值電壓Vce〇(Tj) :Vce〇 (Tj)=Vce〇_25+((Vce〇_125-Vce〇_25)/100*(Tj-25))；
[0016] 所述計算單元如下公式計算所述特定結溫Tj下的IGBT通態(tài)斜率電阻Rc；e(Tj) :Rce (Tj) =Rce_25+( (Rce_125-Rce_25)/100*(Tj-25)) 〇
[0017] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，通過提取功率模塊的規(guī)格 書中IGBT輸出曲線的數(shù)據(jù)并對其進行線性化擬合獲得所述常溫下IGBT閾值電壓V ceQ_25、高 溫下IGBT閾值電壓VceQ_125、常溫下IGBT通態(tài)斜率電阻R ce_25、高溫下IGBT通態(tài)斜率電阻 Rce_125〇
[0018] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，所述后臺處理單元根據(jù)如 下公式計算單個IGBT的開關損耗pswl:
[0020] 其中，fsw為功率模塊的開關頻率，Irms為功率模塊的平均電流，1。"為功率模塊的額 定電流，Vd。為功率模塊的母線電壓，V cn為功率模塊的額定電壓，Eto 1 (T j)為特定結溫T j下 單個IGBT開通和關斷一次的總損耗。
[0021] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，當Irms/Icn〈l/10時，所述后 臺處理單元根據(jù)如下公式計算單個IGBT的開關損耗Pswi:
[0023] 其中，fsw為功率模塊的開關頻率，Irms為功率模塊的平均電流，I?為功率模塊的額 定電流，Vd。為功率模塊的母線電壓，V cn為功率模塊的額定電壓，Eto 1 (T j)為特定結溫T j下 單個IGBT開通和關斷一次的總損耗，k為修正系數(shù)。
[0024] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，所述功率模塊的開關頻率 fsw、功率模塊的平均電流Irms和功率模塊的母線電壓Vd。是通過所述用戶界面單元接收的電 參數(shù)；
[0025] 所述存儲單元中存儲有如下參數(shù):功率模塊的額定電流1。"、功率模塊的額定電壓 Vcn、門級電阻Rg、IGBT常溫下開關損耗Etol_25和IGBT高溫下開關損耗Etol_125;
[0026]所述計算單元根據(jù)如下公式計算特定結溫Tj下單個IGBT開通和關斷一次的總損 耗Etol(Tj):Etol(Tj)=Etol_25+((Etol_125-Etol_25)/100*(Tj-25))。
[0027]可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，
[0028]對于門極電阻Rg固定的功率模塊，通過測試固定的門極電阻Rg下的開關損耗得到 所述IGBT常溫下開關損耗Etol_25和IGBT高溫下開關損耗Etol_125;
[0029] 對于門極電阻Rg可變的功率模塊，根據(jù)功率模塊的規(guī)格書中的Etol-Rg曲線，選取 25°C時Etol-I?g曲線中額定條件下的門極電阻Rgl_25和其對應的開關損耗Etoll_25以及最 大的門極電阻Rg2_25和其對應的Etol2_25,選取125°C時EtoUg曲線中額定條件下的門極 電阻Rgl_125和其對應的開關損耗Etoll_125以及最大的門極電阻Rg2_125和其對應的 Etol2_125,并根據(jù)如下公式得到所述IGBT常溫下開關損耗Etol_25和IGBT高溫下開關損耗 Etol_125：
[0030] Etol_25=Etoll_25+(Etol2_25-Etoll_25)/(Rg2_25-Rgl_25)*(Rg-Rgl_25);
[0031] Etol_125=Etoll_125+(Etol2_125-Etoll_125)/(Rg2_125-Rgl_125)*(Rg-Rgl_ 125)。
[0032] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，所述后臺處理單元根據(jù)如 下公式計算所述二極管的導通損耗Pss2:
[0033]
[0034] 其中，Μ為功率模塊的調制比，cos Φ為功率模塊的功率因素，Irms為功率模塊的平 均電流，Vd〇 (T j)為特定結溫T j下的二極管閾值電壓，Rd (T j)為特定結溫T j下的二極管通態(tài) 斜率電阻。
[0035] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，
[0036] 所述功率模塊的調制比M、所述功率模塊的功率因素 cos Φ和所述功率模塊的平均 電流Irms是通過所述用戶界面單元接收的電參數(shù)；
[0037]所述存儲單元存儲有如下參數(shù):二極管常溫下閾值電壓Vd〇_25、二極管高溫下閾值 電壓Vd〇_125、二極管常溫下通態(tài)斜率電阻Rd_25、二極管高溫下通態(tài)斜率電阻Rd_l 25;
[0038] 所述計算單元根據(jù)如下公式計算所述特定結溫Tj下的二極管閾值電壓Vdo(Tj): Vd〇(Tj) =Vd〇_25+( (Vd〇_125-Vd〇_25)/100*(Tj-25))
[0039] 所述計算單元根據(jù)如下公式計算所述特定結溫Tj下的二極管通態(tài)斜率電阻Rd (T j): Rd (T j) = Rd_25+((Rd_l 25-Rd_25)/100* (T j-25))。
[0040] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，通過提取功率模塊的規(guī)格 書中二極管正向曲線的數(shù)據(jù)并對其進行線性化擬合獲得所述二極管常溫下閾值電壓V d0_ 25、二極管高溫下閾值電壓Vd〇_125、二極管常溫下通態(tài)斜率電阻Rd_25、二極管高溫下通態(tài) 斜率電阻Rd_125。
[0041] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，所述后臺處理單元根據(jù)如 下公式計算二極管的開關損耗Psw2:
[0043]其中，fsw為功率模塊的開關頻率，Irms為功率模塊的平均電流，I?為功率模塊的額 定電流，Vd。為功率模塊的母線電壓，Vcn為功率模塊的額定電壓，Eof f (T j)為特定結溫T j下 單個二極管的關斷損耗。
[0044]可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，當Irms/Icn〈l/10時，所述后 臺處理單元根據(jù)如下公式計算二極管的關斷損耗Psw2:
[0046] 其中，fsw為功率模塊的開關頻率，Irms為功率模塊的平均電流，1。"為功率模塊的額 定電流，Vd。為功率模塊的母線電壓，V cn為功率模塊的額定電壓，Eof f (T j)為特定結溫T j下 單個二極管的關斷損耗，k為修正系數(shù)。
[0047] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，所述功率模塊的開關頻率 fsw、功率模塊的平均電流Irms和功率模塊的母線電壓Vd。是通過所述用戶界面單元接收的電 參數(shù)；
[0048] 所述存儲單元中存儲有如下參數(shù):功率模塊的額定電流1。"、功率模塊的額定電壓 Vcn、門級電阻Rg、二極管常溫下關斷損耗Eoff_25、二極管高溫下關斷損耗Eoff_125、
[0049]所述計算單元根據(jù)如下公式計算特定結溫Tj下單個二極管的關斷損耗Eoff(Tj): Eoff(Tj)=Eoff_25+((Eoff_125-EofT_25)/100*(Tj-25))。
[0050] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，根據(jù)如下公式計算所述 IGBT的結溫Tjl:
[0051] Tjl=Tc+Pl*Rjc;
[0052] 其中，Tc為殼溫，Rjc為IGBT的穩(wěn)態(tài)熱阻，P1為單個IGBT的損耗。
[0053]可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，所述單個IGBT的損耗為單 個IGBT的導通損耗與單個IGBT的開關損耗之和。
[0054] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，所述殼溫Tc是通過所述用 戶界面單元接收的熱參數(shù)，所述存儲單元中存儲有各種型號的功率模塊對應的IGBT的穩(wěn)態(tài) 熱阻Rjc 〇
[0055] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，根據(jù)如下公式計算所述二 極管的結溫Tj2:
[0056] Tj2 = Tc+P2*Rjcd;
[0057] 其中，Tc為殼溫，Rjcd為二極管的穩(wěn)態(tài)熱阻，P2為單個二極管的損耗。
[0058] 可選的，在所述的功率模塊的損耗與結溫仿真系統(tǒng)中，所述單個二極管的損耗為 單個二極管的導通損耗與單個二極管的關斷損耗之