基于数值迭代的功率器件散热器动态响应性能优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电子领域，尤其设及一种基于数值迭代的功率器件散热器动态响应性 能优化方法。
【背景技术】
[0002] IGBT(InsulatedGateBipolarhansistor，绝缘栅双极型晶体管）是由BJT(双 极型S极管）和M0S(绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 研究IGBT可靠性对提高变流器的可靠性有着至关重要的意义，理论上IGBT的设计寿命 一般在30年W上，而在实际应用中IGBT需长时间处理大范围随机波动功率，造成IGBT 结溫长期大幅波动严重影响IGBT使用寿命，为探究IGBT模块的失效机理并建立其寿命 预测模型，需要对IGBT模块实施加速老化试验，W便在较短时间内获得较大的样本数据。 主动功率循环便是模拟实际应用工况对IGBT实施加速老化，通常主动功率循环系统的做 法是对待测器件通一大电流进行加热一段时间后再冷却，如此反复循环冲击使DUT(被测 器件）老化失效。在综合化ster热网络中由于IGBT内部时间常数远小于散热器时间常 数，功率循环中结溫达到稳态值（最高值/最低值）的时间受散热器进入热稳态的时间影 响，IGBT最大结溫也将受散热器进入稳态后的最高溫度影响。对功率循环来说，加热过程 是电热比拟RC网络的全响应，冷却过程是去掉外加激励RC网络的零输入响应，因此散热器 综合热网络响应特性是影响综合化ster热网络动态响应特性的关键因素。现有散热器设 计方法中，只能对散热器稳态热性能进行分析和设计，对于散热器的动态响应过程尤其在I GBT功率循环中的动态响应性能分析尚无有效的方法。
[0003] 因此，亟需一种新的有效的优化方法，能够优化散热器动态响应性能W提高加速 老化试验中功率循环速率或减缓实际使用中结溫波动幅度和速率。W满足不同应用场合功 率循环速率调节的要求。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明提供一种基于数值迭代的功率器件散热器动态响应性能优化方 法，W解决上述问题。 阳〇化]本发明提供的基于数值迭代的功率器件散热器动态响应性能优化方法，包括：
[0006]a.建立综合福斯特热网络模型，
[0007] b.根据福斯特热网络模型的全响应和零输入响应，获取功率循环溫度曲线；
[0008] C.通过功率循环溫度曲线，建立散热器数值化模型，并获取实物散热器的热网络 参数。
[0009] 进一步，步骤b中所述全响应在每个数值迭代步长内由外加阶跃激励产生，并通 过溫度系数反馈作用于外加阶跃激励，所述全响应和零输入响应根据电路响应行为经数值 迭代计算获取。
[0010] 进一步，所述步骤a包括根据预设的散热器参数，建立综合福斯特热网络模型，所 述综合福斯特热网络模型由功率器件内部热网络和实物散热器等效热网络串联构成。
[0011] 进一步，所述步骤b还包括，通过对所述功率循环溫度曲线进行分析校验，验证预 设的散热器参数。
[0012] 进一步，还包括
[0013] 步骤d.将所述预设散热器参数替换为根据散热器数值化模型获取的实物散热器 的热网络参数。
[0014] 步骤e.根据步骤d替换的参数重新获取功率循环溫度曲线，并对其进行分析校 验。
[0015] 进一步，所述散热器数值化模型通过如下公式获取，
[0018] a表示对流换热系数，S表示有效对流换热面积，d表示散热器热面板厚度，A h表 示散热器导热系数，A表示散热器热面面积，Ih。表示散热器的综合时间常数，t表示时间变 量。
[0019] 进一步，通过综合化ster热网络获取结溫，所述结溫通过溫度系数反馈作用影响 外加激励。
[0020] 进一步，所述结溫在每个数值迭代步长内由初始化参数经损耗模型得到的功耗作 为外加激励，经过多次循环迭代获取完整的功率循环结溫曲线。
[0021] 进一步，所述对流换热系数通过如下公式获取：
[0022]
阳02引其中，格拉晓夫数Gr=gPATd3P2/y2,雷诺准数Re=Pvd/y，普朗特数Pr =Cpy/A，g表示重力加速度，d表示管道当量直径。P表示体积热膨胀系数，y表示流 体动力黏性系数，P表示流体密度，V表示流体速度，A表示流体导热系数，Tm表示流体平 均溫度，Th表示热面溫度，1表示管道长度。
[0024] 本发明的有益效果：本发明可W优化散热器动态响应性能，提高加速老化试验中 功率循环速率或减缓实际使用中结溫波动幅度和速率，可W满足不同应用场合功率循环速 率调节的要求，本发明可W有效的提高试验速率，应用于变流器外部热管理可有效降低结 溫波动。
【附图说明】
[0025] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
[00%] 图1是本发明的原理示意图。
[0027] 图2是本发明散热器优化前综合化ster热网络功率循环冲击过程数值仿真曲线 图。
[0028]图3是本发明散热器优化后综合化ster热网络功率循环冲击过程数值仿真曲线 图。
[0029] 图4是本发明IGBT实时结溫反馈损耗通用计算模型。
[0030] 图5是本发明散热器热阻测试结构图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的原理示意图，图 2是本发明散热器优化前综合化ster热网络功率循环冲击过程数值仿真曲线图，图3是本 发明散热器优化后综合化ster热网络功率循环冲击过程数值仿真曲线图，图4是本发明I GBT实时结溫反馈损耗通用计算模型，图5是本发明散热器热阻测试结构图。
[0032] 如图1所示，本实施例中的基于数值迭代的功率器件散热器动态响应性能优化方 法，包括
[0033] a.建立综合化ster(福斯特）热网络模型，
[0034] b.根据综合化ster热网络模型的全响应和零输入响应，获取功率循环溫度曲线；
[0035] C.通过功率循环溫度曲线，建立散热器数值化模型，并获取实物散热器的热网络 参数；
[0036] d.将所述预设散热器参数替换为根据散热器数值化模型获取的实物散热器的热 网络参数；
[0037] e.根据步骤d替换的参数重新获取功率循环溫度曲线，并对其进行分析校验。 阳03引在本实施例中，综合化ster热网络模型由功率器件内部RC热网络 (Resistance-CapacitanceCircuits,电阻电容电路）和实物散热器等效RC热网络串联 构成，功率循环溫度曲线由综合化ster热网络数值迭代计算得到并作为散热器性能分析 依据，通过对散热器参数优化，得到数值优化后的散热器设计参数，可有效提高试验速率， 增大结溫波动。本实施例中功率器件内部RC热网络模型所设及参数仅由器件数据手册提 供，实物散热器等效RC热网络模型参数通过实验获得，所述功率器件内部RC热网络阶数由 器件数据手册决定，所述实物散热器等效RC热网络模型阶数根据设计所需精度确定。由此 建立功率器件内部n阶RC热网络和散热器m阶等效RC热网络串联一维拓扑模型，通过运 种热网络模型，简化功率循环过程的动态性能分析，功率器件内部RC热网络参数直接通过 手册查询获取，散热器参数调试方便，避免传统有限元瞬态分析所需的复杂几何参数。
[0039] 在本实施例中，步骤b中所述全响应在每个数值迭代步长内由外加阶跃激励产 生，并通过溫度系数反馈作用于外加阶跃激励，所述全响应和零输入响应根据电路响应行 为经数值迭代计算获取。其中，全响应和零输入响应依照RC电路响应行为经数值迭代计算 求得。 W40] 如图4所示，I。为器件导通电流、f 开关频率、T为结溫、Ud。为直流母线电压， 将运行工况产生功耗PSW化)+Pcond化）作为外加激励，经综合化ster热网络得到结溫T，结 溫通过结溫系数反馈作用影响外加激励。为便于编程计算，对图4过程进行时间离散化得 到数值迭代过程，迭代式为
[0043] 结溫在每个数值迭代步长内由初始化参数经损耗模型得到的功耗作为外加激励， 经过N次循环迭代得到完整的功率循环结溫曲线。
[0044] 对流换热系数通过如下公式获取：
[0045]
[0046] 其中，格拉晓夫数Gr=g P A Td3P2/y2,雷诺准数Re=Pvd/y，普朗特数Pr =Cpy/A，g表示重力加速度，d表示管道当量直径。P表示体积热膨胀系数，y表示流 体动力黏性系数，P表示流体密度，V表示流体速度，A表示流体导热系数，Tm表示流体平 均溫度，Th表示热面溫度，1表示管道长度。
[0047] 在本实施例中，所述步骤b还包括，通过对所述功率循环溫度曲线进行分析校验， 验证预设的散热器参数，本实施例中预设的散热器参数包括散热器热