*本論文摘要由PCIM官方授權發布

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在 xEV 應用的主驅逆變器中，關于 IGBT 分立器件熱阻網絡建模和虛擬結溫計算的研究和論文相對較少。本文基于最新的可回流焊接分立式 IGBT 產品(TO247)，通過 Ansys FEM 3D 建模和熱阻提取，以及典型逆變器條件下的 PLECS 仿真,比較和分析了分立式 IGBT 的三種不同熱阻網絡模型(外殼和冷卻水之間)，以及其對 IGBT 和 FWD 虛擬結溫計算的影響。

01 傳統TO247 ZthJW熱阻網絡分析 

1.1 傳統TO247 ZthJW熱阻網絡結構

圖1. 傳統 TO247 ZthJW 熱阻網絡

從 Tvj 到 Tw 的 TO247 IGBT 離散熱阻網絡和 FWD 相互獨立，互不影響。

1.2 TO247 ZthJW熱阻網絡的熱耦合分析

圖2. TO247 ZthJW 熱阻網絡的熱耦合分析

基于FEM熱仿真分析后，熱耦合主要在器件外殼(Case)與水(Water)之間，器件內部結(Junction)與殼(Case)的熱耦合影響相對可忽略。

02 新型TO247 ZthJW熱阻網絡A(每個開關) 

2.1 新型 TO247 ZthJW 熱阻網絡結構A的結構(每個開關)

圖3. 新型 TO247 ZthJW 熱阻網絡 A(每個開關)

ZthCH_TD 和 ZthHW_TD 是 IGBT 分立熱阻網絡中每個開關的熱阻，可從 Ansys FEM 仿真中提取。

03 新型TO247 ZthJW熱阻網絡B(全耦合) 

3.1 新型TO247 ZthJW熱阻網絡B的結構(全耦合)

圖4. 新型 TO247 ZthJW 熱阻網絡 B(全耦合)

ZthCH_T2D 和 ZthHW_T2D 表示FWD受 IGBT 影響的熱阻；ZthCH_D2T 和 ZthHW_D2T 表示IGBT受 FWD 影響的熱阻，也可從Ansys FEM仿真中提取。

04 基于三種 ZthJW 熱阻網絡的系統仿真分析與比較

4.1 基于可回流焊接 IGBT 分立器件的系統設置

圖5. 回流焊版 TO247 解決方案的相關Setup和材料數據

4.2 三種 ZthJW 熱阻網絡參數與提取

根據上述材料數據,本文在 Ansys 中建立了三維模型, 并進行了以下一些典型工況仿真：

案例 1: 僅 IGBT 芯片發熱

案例 2: 僅續流二極管FWD芯片發熱

情況 3: IGBT 和 FWD 芯片均發熱(典型電動模式)

情況 4: IGBT 和 FWD 芯片均發熱(典型發電模式)

基于上述仿真，提取 ZthJW 熱阻網絡的關鍵 Rth 值，如下:   

傳統 TO247 ZthJW 熱網絡

新型 TO247 ZthJW 熱網絡 A(每個開關)

新型 TO247 ZthJW 熱網絡 B(全耦合)

4.3 利用PLECS進行逆變器系統仿真分析和比較

圖6. 三種不同熱阻網絡在電動工況時的PLECS仿真對比

圖7. 三種不同熱阻網絡在發電工況時的PLECS仿真對比

如上，Tvj_T1x 和 Tvj_D1x 是傳統熱阻網絡的仿真結果，Tvj_T1y 和 Tvj_D1y 是新型熱阻網絡 A 的模擬結果，Tvj_T1z 和 Tvj_D1z 是新型熱阻網絡B 的仿真結果。

05 結論

綜上分析，在單管器件主驅應用(如TO247)中，需考慮器件外部從殼到水的熱耦合影響。基于新型的熱阻網絡A和B的結構，相對傳統熱阻網絡，可以獲得更準確的單管IGBT和FWD的結溫Tvj計算結果。