一种适用于功率模块多芯片热耦合的热网络建模方法

本发明属于多芯片封装功率器件结温监测，尤其涉及一种适用于功率模块多芯片热耦合的热网络建模方法。

背景技术：

1、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,igbt)以其导通压降低、功率密度大、开关速度快等显著特点而被广泛应用于轨道交通等领域。igbt在变流器中负责电能可靠变换与能量高效传输，具有最高的使用率(大约42％)，但同时也被31％的器件厂商和使用者认为是最易发生故障的器件之一，因此igbt模块的可靠性评估具有重要意义。

2、结温波动作为功率模块可靠性评估的主要问题之一，对功率模块的寿命有明显的影响。功率模块的可靠性评估基本上依赖于热模型提供的精确热分析，因此建立合适的热模型对于实现变流器的状态监测、故障诊断和主动热控制均具有十分重要的意义。

3、目前功率模型热建模大致分为热网络模型(thermal network models,tnms)、解析模型和数值模型。传统的foster模型和cauer模型都被视为一维热网络模型，具有计算量小、易于实现的优点，但热分析精度较差，特别是考虑到热耦合的影响。数值模型大多通过有限元(finite element analysis,fea)获得，虽然能保证在电场、热场和力学场等多物理场耦合作用下的热分析精度，但是需要求解复杂的微分方程的计算负担较为沉重，适用性需要进一步提升。

技术实现思路

1、鉴于现有的功率模型热建模方法的不足，本发明提供一种适用于功率模块多芯片热耦合的热网络建模方法。

2、本发明一种适用于功率模块多芯片热耦合的热网络建模方法，利用cauer热网络提取、热损耗节点注入、模型离散化和模型抽象化，完成多芯片封装功率模块在不同损耗注入下的热分析，具体包括以下步骤：

3、步骤1：基于热阶跃响应下的瞬态热曲线，利用结构函数提取cauer热网路中所有参数。

4、当利用一维热网络来表征系统的温度响应时，对于只有单一时间常数的系统，阶跃损耗激励下的瞬态热响应t(t)为：

5、

6、式中：t(t)、ploss、rth和τ分别表示一阶foster模型的温度响应、功率损耗、热阻和热网络时间常数。

7、为了进一步表征功率模块的热行为，采用n阶foster模型，此时阶跃损耗激励下的瞬态热响应为：

8、

9、针对功率模块，foster模型的阶数被认为是无限的，即n→∞，由此，可进一步得到：

10、

11、因此，用连续热响应曲线代替离散热响应曲线，引入中间变量z，则有：

12、

13、将上式两边分别对z作微分，则有：

14、

15、式中：r(z)、w(z)和分别表示热时间常数谱、权函数和卷积算子；其中为已知量；为测量值，可通过实验测试或仿真得到。

16、式(5)所表征的一维热网络，通过bayesian反卷积，提取得到r(z)，则有：

17、

18、式中：表示反卷积算子。

19、将热时间常数谱均匀分成宽度为1的n个部分，离散化后的热时间常数谱与n阶foster模型的rc热参数一一对应，有：

20、

21、式中：r(ki)、rthi和cthi分别表示热时间常数谱中第i部分的长度、foster模型中第i部分的热阻和热容。

22、通过laplace变换将foster热网络转化为cauer热网络；最后，将cauer模型的热阻和热电容沿x轴和y轴累加，最终得到结构函数曲线，完成cauer热网络参数的提取。

23、步骤2：利用节点热损耗注入等效芯片之间的热耦合效果，并采用枚举方法识别损耗注入节点和注入损耗大小。

24、将特定的功率损耗注入已建立的一维cauer热网络中的每个节点，测量每个节点对该注入功率损耗的热响应时间，将具有合适热响应时间的节点识别为注入节点；然后，借助瞬态热曲线，计算出注入功率损耗的大小。

25、步骤3：采用前向欧拉法对cauer热网络模型的连续状态空间方程组进行离散。

26、考虑芯片间热耦合影响的热网络模型的状态空间方程为：

27、

28、式中：mi和pi，i＝1,2,3,…,n分别表示热网络的结温和功率损耗，aij和bih，j＝1,2,…,n；h＝1,2,…,n,n+1分别表示连续时间状态空间方程中系统矩阵和控制矩阵的元素。

29、根据电热比拟理论，热容表示为：

30、

31、式中：q和t分别表示热通量和温度；且有：

32、

33、由式(9)和(10)可得：

34、

35、式中：γ表示热通量对时间的导数，采用前向欧拉法进行离散，式(11)可被写为：

36、

37、式中：δt和k分别表示离散迭代步长和离散迭代常数。

38、进一步有：

39、

40、cauer热网络模型状态空间方程组的离散形式为：

41、

42、式中：cij和dij分别表示离散时间状态空间方程中系统矩阵和控制矩阵的元素。

43、步骤4：将离散后的热网络模型抽象成信号流图的形式，最后利用梅森公式直接求解离散状态空间方程中cij和dij的值。

44、步骤4.1：将cauer热网络中的每个节点分别抽象成为信号流图中的节点d1到dn。

45、步骤4.2：将每两个相邻节点间的电阻抽象成为两条具有相反传输方向的信号，每个电压源和电流源被分别抽象成输入信号。

46、步骤4.3：定义每个信号路径的增益；对于节点n，增益gnj为：

47、

48、最后通过mason公式，直接计算所求得的输入输出传递函数就是式(14)表示的离散状态空间方程系统矩阵和控制矩阵中cij和dij的值。

49、步骤5：通过仿真对比与实验对热网络建模方法进行验证。

50、本发明的有益技术效果为：

51、1、本发明利用结构函数提取出来的cauer热网络，其中间节点代表着模块中的等温线，具有具体物理意义。

52、2、本发明基于节点热损耗注入等效芯片间热耦合影响，并采用枚举法辨识热损耗注入节点及注入损耗大小，能够提高考虑热耦合影响下热分析的精度。

53、3、本发明通过前向欧拉法离散的模型仍具有电路形式，不改变原来模型中节点的意义。离散后复杂的微分方程也被简单的乘法和除法所取代，计算效率更高。

54、4、本发明兼顾热分析精度与模型计算效率，有利于在变流器实际工况中应用。

55、5、本发明该方法具有很好的通用性，还可以移植到其它多芯片封装功率模块构成的变流器系统中。

技术特征：

1.一种适用于功率模块多芯片热耦合的热网络建模方法，其特征在于，利用cauer热网络提取、热损耗节点注入、模型离散化和模型抽象化，完成多芯片封装功率模块在不同损耗注入下的热分析，具体包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种适用于功率模块多芯片热耦合的热网络建模方法，具体为：利用结构函数来表征功率模块中单个芯片的散热路径的Cauer热网络模型；在此基础上，将其它芯片的热耦合作用等效为在Cauer热网络中的某些节点注入一定的热损耗；最后，为了提高计算效率，采用了基于前向欧拉的离散化方法，并通过信号流图法估计了多芯片电源模块的结温。本发明可实现在变流器时间工况运行下的结温估计，在保证热网络模型精度的同时，有效降低了计算负担，解决了Cauer模型在多芯片热耦合影响下热分析精度低、求解数值模型计算负担大的技术问题。

技术研发人员：许智亮,王惠民,梁耕乐,付仲江,葛兴来,王轶
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17