基于数值迭代的功率器件散热器动态响应性能优化方法

摘要

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a.建立综合福斯特热网络模型，b.根据福斯特热网络模型的全响应和零输入响应，获取功率循环温度曲线；c.通过功率循环温度曲线，建立散热器数值化模型，并获取实物散热器的热网络参数；本发明可以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温波动幅度和速率，可以满足不同应用场合功率循环速率调节的要求，本发明可以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温波动。

说明书

技术领域

本发明涉及电子领域，尤其涉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

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)是由BJT(双极型三极管)和MOS(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年以上，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结温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，以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Foster热网络中由于IGBT内部时间常数远小于散热器时间常数，功率循环中结温达到稳态值(最高值/最低值)的时间受散热器进入热稳态的时间影响，IGBT最大结温也将受散热器进入稳态后的最高温度影响。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Foster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IGBT功率循环中的动态响应性能分析尚无有效的方法。

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以提高加速老化试验中功率循环速率或减缓实际使用中结温波动幅度和速率。以满足不同应用场合功率循环速率调节的要求。

发明内容

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，以解决上述问题。

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：

a.建立综合福斯特热网络模型，

b.根据福斯特热网络模型的全响应和零输入响应，获取功率循环温度曲线；

c.通过功率循环温度曲线，建立散热器数值化模型，并获取实物散热器的热网络参数。

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，并通过温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。

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。

进一步，所述步骤b还包括，通过对所述功率循环温度曲线进行分析校验，验证预设的散热器参数。

进一步，还包括

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。

步骤e.根据步骤d替换的参数重新获取功率循环温度曲线，并对其进行分析校验。

进一步，所述散热器数值化模型通过如下公式获取，

$Z_{ha}\left(t\right)=R_{ha}(1-e^{\frac{-t}{{\tau }_{ha}}})$

其中，$R_{ha}=R_{conv}+R_{cond}=\frac{1}{\alpha S}+\frac{d}{{\lambda }_{h}A},$

α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，λ_h表示散热器导热系数，A表示散热器热面面积，τ_ha表示散热器的综合时间常数，t表示时间变量。

进一步，通过综合Foster热网络获取结温，所述结温通过温度系数反馈作用影响外加激励。

进一步，所述结温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温曲线。

进一步，所述对流换热系数通过如下公式获取：

$\alpha =a_1\frac{\lambda }{d}{\mathrm{Gr}}^{a_2}{\mathrm{Re}}^{a_3}{\mathrm{Pr}}^{a_4}{\left(\frac{T_m}{T_h}\right)}^{a_5}{\left(\frac{d}{l}\right)}^{1/3}$

其中，格拉晓夫数Gr＝gβΔTd3ρ2/μ2，雷诺准数Re＝ρvd/μ，普朗特数Pr＝Cpμ/λ，g表示重力加速度，d表示管道当量直径。β表示体积热膨胀系数，μ表示流体动力黏性系数，ρ表示流体密度，v表示流体速度，λ表示流体导热系数，T_m表示流体平均温度，T_h表示热面温度，l表示管道长度。

本发明的有益效果：本发明可以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温波动幅度和速率，可以满足不同应用场合功率循环速率调节的要求，本发明可以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温波动。

附图说明

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Foster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Foster热网络功率循环冲击过程数值仿真曲线图。

图4是本发明IGBT实时结温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。

具体实施方式

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Foster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Foster热网络功率循环冲击过程数值仿真曲线图，图4是本发明IGBT实时结温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。

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

a.建立综合Foster(福斯特)热网络模型，

b.根据综合Foster热网络模型的全响应和零输入响应，获取功率循环温度曲线；

c.通过功率循环温度曲线，建立散热器数值化模型，并获取实物散热器的热网络参数；

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；

e.根据步骤d替换的参数重新获取功率循环温度曲线，并对其进行分析校验。

在本实施例中，综合Foster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，功率循环温度曲线由综合Foster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，增大结温波动。本实施例中功率器件内部RC热网络模型所涉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，通过这种热网络模型，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。

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，并通过温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。

如图4所示，I_c为器件导通电流、f_sw为开关频率、T为结温、U_dc为直流母线电压，将运行工况产生功耗PSW(k)+Pcond(k)作为外加激励，经综合Foster热网络得到结温T，结温通过结温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

${\mathrm{\Delta T}}_{ha\left(k\right)}=P_{(k-1)}{R}_{ha}(1-e^{\frac{-T_k}{{\tau }_{ha}}})+{\mathrm{\Delta T}}_{ha(k-1)}{e}^{\frac{-T_k}{{\tau }_{ha}}}$

并通过式$T_{tj\left(k\right)}=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta T}}_{tjci\left(k\right)}+{\mathrm{\Delta T}}_{ha\left(k\right)}+T_a$

结温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温曲线。

对流换热系数通过如下公式获取：

$\alpha =a_1\frac{\lambda }{d}{\mathrm{Gr}}^{a_2}{\mathrm{Re}}^{a_3}{\mathrm{Pr}}^{a_4}{\left(\frac{T_m}{T_h}\right)}^{a_5}{\left(\frac{d}{l}\right)}^{1/3}$

其中，格拉晓夫数Gr＝gβΔTd3ρ2/μ2，雷诺准数Re＝ρvd/μ，普朗特数Pr＝Cpμ/λ，g表示重力加速度，d表示管道当量直径。β表示体积热膨胀系数，μ表示流体动力黏性系数，ρ表示流体密度，v表示流体速度，λ表示流体导热系数，T_m表示流体平均温度，T_h表示热面温度，l表示管道长度。

在本实施例中，所述步骤b还包括，通过对所述功率循环温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阻R_ha和时间常数τ_ha，通过运用预先假设的散热器热阻和时间常数参数建立综合Foster热网络模型，依照功率循环曲线迭代计算流程得到功率循环曲线，结合应用工况分析功率循环曲线，判断预设的参数是否满足设计要求，如不满足则优化假设参数重复该阶段计算过程。

在本实施例中，散热器数值化模型通过如下公式获取，

$Z_{ha}\left(t\right)=R_{ha}(1-e^{\frac{-t}{{\tau }_{ha}}})$

其中，$R_{ha}=R_{conv}+R_{cond}=\frac{1}{\alpha S}+\frac{d}{{\lambda }_{h}A},$

α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，λ_h表示散热器导热系数，A表示散热器热面面积，这一部分参数决定了给定功耗下器件所能到达的最大结温，τ_ha表示散热器的综合时间常数，t表示时间变量。受不同散热器结构和对流换热过程影响，反映了给定功率下热响应的速率。

散热器数值化模型包含散热器到外界环境等效一维热阻R_ha和综合时间常数τ_ha，所述模型建立方法完全基于散热器换热行为的解析分析，所述实物散热器等效RC热网络参数提取方法基于RC电网络的零输入响应规律的实验拟合。

模型建立方法采用热力学中的对流传热速率方程和牛顿冷却定律解析散热器换热过程，如式

Q＝aS(T_h(k)-T_m)＝w_cC_p(T₂-T₁)

T_m＝(T₂+T₁)/2

为数值化的牛顿冷却定律，即第k个迭代周期散热器释放的能量与接触流体吸收的能量相等为Q，该热量与式中对流传热系数α和流体与散热器热交换面积S乘积，即热导成正比，优化热交换面积和对流传热系数可改变换热速率。Tm是流体经散热器前后的平均温度，Th(k)是第k个迭代周期散热器热面温度，wc是迭代步长内的流量，Cp是流体的定压比热容，T1、T2分别对应入口和出口流体温度。其中传热系数α采用经验解析式

$\alpha =a_1\frac{\lambda }{d}{\mathrm{Gr}}^{a_2}{\mathrm{Re}}^{a_3}{\mathrm{Pr}}^{a_4}{\left(\frac{T_m}{T_h}\right)}^{a_5}{\left(\frac{d}{l}\right)}^{1/3}$计算，

式中格拉晓夫数Gr＝gβΔTd3ρ2/μ2，雷诺准数Re＝ρvd/μ，普朗特数Pr＝Cpμ/λ，g是重力加速度，d是管道当量直径。β体积热膨胀系数(若是理想流体，可近似为绝对温度T的倒数1/T)，μ是流体动力黏性系数，ρ是流体密度，v是流体速度，λ是流体导热系数，均为流体的物性参数。Tm为流体平均温度，Th为热面温度，l为管道长度。IGBT按照实际使用工况加载于散热器上，热电偶安装固定于IGBT芯片正下方散热器表面，用于实时记录散热器表面温度，实际测试中IGBT先开通，为避免IGBT高温损坏，使散热器处于通水状态，要求水速恒定，水温恒定，在散热器进入稳态温度后电流随即断开，散热器转入零输入响应，对热电偶记录的散热器温度变化曲线进行拟合得到RC热网络参数。

本实施例以功率循环老化试验系统所用水冷散热器为例，对本发明的方法进行进一步的说明：

根据功率循环老化试验中运行工况要求：50A恒流对型号为FF50R12RT4的测试IGBT加热，温度波动范围30-130℃，功率循环周期要求60s以内，提出假设：散热器热阻可调范围0.15-2.1K/W和时间常数13-520s，其中不通水时热阻2.1K/W，时间常数520s，通水时热阻0.15K/W，时间常数12s。

根据手册获取的功率器件内部RC网络参数和假设的散热器热阻和时间常数建立综合Foster热网络模型，为加快功率循环，全响应阶段散热器热网络为不通水时参数，零输入响应阶段为通水时参数，依照图2IGBT实时结温反馈损耗通用计算模型和图3功率循环曲线迭代计算流程得到功率循环曲线，如图2散热器优化前综合Foster热网络功率循环冲击过程数值仿真曲线，可以看出该假设散热器参数组合下，要求时间内结温仅接近100℃，不满足运行要求；对假设散热器参数进行调节，热阻增加1倍，时间常数减小1倍，变为不通水时热阻4.2K/W，时间常数260s，通水时热阻0.3K/W，时间常数6s。重复校验，得到新的优化后的功率循环曲线，如图3散热器优化后综合Foster热网络功率循环冲击过程数值仿真曲线，在要求时间内结温可以实现30-130℃变化，该组参数满足要求。

根据功率循环曲线校验环节校验后的假设参数，采用散热器数值化模型建立方法进行散热器实物设计。

如图5所示的散热器热阻测试结构，提取出散热器参数：总换热面积11744mm，总质量0.223kg，不通水时热阻3.1K/W，时间常数383s，通水时热阻0.278K/W，时间常数7.23s，将提取的实际RC热网络参数替换功率循环曲线校验环节中假设的散热器热阻和时间常数，并重复功率循环曲线校验环节完成实物参数校验，该实物散热器满足实际运行要求，否则应当在此散热器基础上重复散热器实物设计环节和实物参数校验环节。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。