仿真看世界之IPOSIM的散热器热阻Rthha解析
2021-08-17
作者：英飞凌科技大中华区应用工程师 张浩
来源：英飞凌
如何评估IGBT模块的损耗与结温？英飞凌官网在线仿真工具IPOSIM，是IGBT模块在选型阶段的重要参考。这篇文章将针对IPOSIM仿真中的散热器热阻参数Rthha，给大家做一些清晰和深入的解析。
· IPOSIM中Rthha定义：折算到每个Switch（开关）的散热器热阻
· 折算思路：对于常规模块，先确定散热器的总热阻，再根据散热器包含的Switch数量，折算出热阻Rthha。对于PIM模块，其散热器热阻需要额外计算。
一、 两电平仿真中的Rthha的定义与设置
在两电平逆变拓扑中，每个Switch基本单元为：T1+D1
两电平举例说明：3XFF600R12KE4 per Inverter
（FF600R12KE4）
62mm封装的半桥模块如上，三个半桥模块置于散热器，组成完整的三相逆变拓扑。假设每个模块200W损耗，散热器的温升30℃，则散热器总热阻为30℃/（200W*3）=0.05K/W。
散热器总共包含了6个Switch基本单元，因此IPOSIM中Rthha为：0.05*6=0.30K/W。
二、 三电平仿真中的Rthha的定义与设置
三电平的拓扑相对复杂一些，以常见的三种拓扑NPC1、NPC2和ANPC为例，分别进行说明：
在NPC1拓扑中，每个Switch基本单元为：T1+D1+T2+D2+D5
在NPC2拓扑中，每个Switch基本单元为：T1+D1+T2+D2
在ANPC拓扑中，每个Switch基本单元为：T1+D1+T2+D2+T5+D5
三电平NPC1举例说明：
3XF3L150R07W2E3_B11 per Inverter
（F3L150R07W2E3_B11）
在中小功率的三电平应用里，1个模块就能装下三电平的1个甚至3个桥臂。如Easy2B封装的三电平模块F3L150R07W2E3_B11，模块内为1个NPC1桥臂，3个模块置于散热器上，组成完整的三电平的三相逆变拓扑。假设每个Easy2B模块损耗200W, 散热器的温升30℃，则散热器总热阻为：30℃/（200W*3）=0.05K/W。
散热器总共包含了6个Switch基本单元，因此IPOSIM中Rthha为：0.05*6=0.30K/W。
三电平ANPC举例说明：
3XFF600R12ME4_B72 per phase
（FF600R12ME4_B72）
在大功率的三电平应用里，往往需要多个模块才能组成1个三电平桥臂，如EconoDual3?封装的半桥模块FF600R12ME4_B72，3个模块组成1个ANPC或NPC1的桥臂，同样3个模块置于散热器上，只是三电平拓扑的某一相。假设3个模块损耗一共1200W，散热器温升50℃，则散热器总热阻为50℃/1200W=0.042K/W。
散热器只包含了2个Switch基本单元，因此IPOSIM中Rthha为：0.042*2=0.084K/W。
三、 变频器PIM模块仿真中的Rthha的定义与设置
在中小功率的变频器应用里，常常会用到PIM模块（包含整流、制动和逆变），如英飞凌最新IGBT7系列EasyPIM模块FP25R12W2T7_B11。
如下图所示，是基于有限元热仿真的散热器表面温度分布：环境温度50℃，散热器表面最高温度82.3℃，其中每个整流二极管RD的损耗为3W，每个IGBT的损耗为10W，每个FWD的损耗为4W。
考虑到模块内整流部分和逆变部分的相互影响，我们可分别计算逆变（Inv）和整流（Rec）部分的Switch对应的散热器热阻Rthha，其中：
PIM模块逆变部分的散热器热阻Rthha（Inv）=（82.3℃-50℃）/（10W+4W）=2.30K/W
PS：如果按散热器总热阻X6去折算逆变部分的热阻，会存在低估的情况：
散热器总热阻=（82.3℃-50℃）/（6*10W+6*4W+6*3W）=0.317K/W，
即0.317*6=1.90K/W，
比上述的热阻值2.30K/W偏低约18%。
散热器（总）热阻在不同工况下的变化
散热器的热阻并非定值，而是会随热源的分布变化而变化。
在一些大功率三电平的应用场合，一方面，各个模块之间的损耗不同；同时，模块间损耗差异还会随着工况不同而变化，因此，需要格外关注此时散热器总热阻的变化情况。如下，分别以常见白模块和黑模块三电平NPC1拓扑为例，进行简单的分析。
案例一
基于EconoDualTM3白模块NPC1三电平，在某种水冷条件下，不同工况时的散热器总热阻：
案例二
基于PrimePACKTM3黑模块NPC1三电平，在某种水冷条件下，不同工况时的散热器总热阻：
因此，需考虑最恶劣工况下的热阻，或者在不同工况仿真时，采取不同的散热器热阻应对，以获得更准确的仿真结果。
综上所述，文章总结了在IPOSIM中Rthha参数，在两电平和三电平应用中的定义与设置，以及一些常见的问题，期望对大家如何正确选取Rthha进行准确的IPOSIM仿真有所帮助。
纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。
赶紧打开IPOSIM试试吧。