变频器热仿真标准.doc

热仿真的标准确定目录一、 我司现有功率模块的热测试标准二、 关于结温的定义和功率模块安全运行的条件三、 结温的计算（热阻法）一有瞬态负载的结温计算四、 结论一、我司现有功率模块的热测试标准（1） 在“变频器热测试规范”（2008年9月5日生效）中，关于预判断的说明，有如下规定 对于功率模块和IC可按以下原则进行预判定，即：（变频器最高允许的工作环境温度与当前实测环境温度的差+壳到结的温度梯度（30度）+ 实测模块壳温或散热器温度）＜=器件结温降额的限值并特别说明，若按照这个原则器件的热应力满足降额要求，则可以直接判定其合格，否则要 计算结温，根据结温判断是否满足降额要求2） 在“开关电源测试规范”（2008年9月1日生效）中，判定标准是：在测试条件下能连 续稳定运行，且符合关键元器件温升标准要求，没有异常温度点，合格，否则，应根据壳温及器件手册计算结温是否符合降额要求，符合降额要求并有足够的余量则 合格，否则，不合格关键元器件温升标准（允许误差正负2度）是：整流模块金属基板、IGBT模块金属基板、主散热器表面测温点均为40度当环境温度是40度，则测试温度不能超过40+40=80度（3） 在“器件应力降额操作指导书”附件1：元器件降额查检表中，关于IGBT和整流桥的填 写说明，都规定：结温降额中，额定结温不大于150度的，降额为额定值减40； 150至175度的，降额为额定值 减50； 175度以上降额为额定值减60度。

以额定结温150度为例，若在变频器最高允许工作环境温度下测试，则根据上述的（1） “变 频器热测试规范”，实测模块壳温或者散热器温度不大于150-40-30=80度可能因为上述（2）和（3）中的两个“80度”标准，使公司有些设计人员产生误解，把功率 模块壳温或者散热器温度的实测值和热仿真值都规定为不超过80度我认为，这样确定热仿真的标准不是很合适，理由如下：第一点：从（3）看出，这个“80度”标准是对于额定结温150度而言，如果器件的额定结温 175度，即使按现有的“变频器热测试规范”，实测模块壳温或者散热器温度也是不大于175-50-30=95度，而不是80度；第二点：(1)中所说壳到结的温度梯度(30度)，是一个比较粗略的估计实际的值，应 该根据功率模块的热损耗和结到壳的热阻进行计算否则，虽然测试标准简便、容易掌握，产品可靠性大大提高，但是可能产生“质量过剩”的 问题，对成本控制有不利影响尤其是那些低成本产品，散热方面的成本压力将非常大 其实，上述热测试规范中也已经说明，在预判断标准不满足的时候，仍然需要通过计算功率 模块实际的结温来判断是否合格综上所述，关于热仿真的标准，我的建议是：明确规定热仿真以功率模块的结温作为标准，而不是热测试规范中预判断的“80度”标准。

具体标准在下面将详细分析说明二、关于结温的定义和功率模块安全运行的条件Infineon 技术信息(Application Note AN2008-01) HIGBT Modules: Definition and use of junction temperature values"中，对几种结温(Tvj、Tvjmax和Tvjop)各自的定义如下:Definition of TvjThe Junction temperature Tvj is the temperature in the junction region of a semiconductor chip. This junction temperature is to determine the thermal resistance junction to case Rthjc used for further calculations. Because it does not precisely match the exact junction temperature of one of the chips in a module it is more correctly termed "Virtual junction temperature".其中：RthJC=(Tvj-Tc)/Pdiss或者Tvj=Tc+Pdiss*RthJCTc:功率模块的壳温(度)；Pdiss:功率模块芯片的热损耗功率(W)Definition of Tvj maxThe rated maximum operating junction temperature Tvjmax is used to determine the maximum allowable power dissipation of a continuously turned on IGBT (i.e. static operation).For switching operation (also for the short period of time during turn-off of the IGBT) it has to be ensured that the device safely operates under high dynamic stress, short dynamic temperature transients and operational chip- and module temperature inhomogenities.Hence, the maximum calculated virtual junction temperature under dynamic operation is limited to a value lower than Tvjmax.The RBSOA diagram (Reverse Biased Safe Operating Area) in the respective data sheets is showing the area of collector current lc and collector-emitter voltage VCe which the IGBTs will sustain simultaneously for a short period of time during turn-off without being damaged under the specified conditions.Definition of Tvj op (most practical value)The operating temperature TvjOp specifies the limits (minimum and maximum value) of the junction temperature between which the device may be operated. This includes the switching operation and shows identical maximum values as specified in the RBSOA diagram.For applications with switching operation the relevant design limit is therefore the specified operation temperature Tvjop. Calculations of current carrying capability at normal load and overload (also for short time duration) should be done using the average on state, turn-on (Eon) and turn-off (Eoff) losses in regard to stay within the allowed operation temperature range. (Note: One can ignore the peak power losses and the generated transient temperature rise during "turn on" or "turn off. They are not specified in detail and already considered in the specified temperature Tvlop)“电力半导体器件结温的计算和测试”(秦贤满，西安电力电子技术研究所，1995),也对结 温(等效结温)Tvj、最高允许结温Tjm说明如下：电力半导体器件是高发热的电子产品，产品寿命和正常工作与产品工作结温(妤)是否超过允许 的最高结温 6)密切有关。

心是器件的重要 额定值，是综合性技术和质量水平指标，器件其他 很多重要技术指标都是通过7%来体现和保证的结温是“(等效)结温w[(Virtual) junction temperature]在不发生混淆时的简称，通用的符号 是珀或7；j，按标准定义为：基于半导体器件的热 电关系，通过电测量得到的PN结温度等效结温的“等效”是指不能用温度计或热偶等手段接触PN结直接测量，而是按定义所言的间接 测量结温是额定值案数，除浪涌电流瞬时之珀可 超过心外，在正常工作的任何情况都不得超过 超过将意味着损坏或损伤器件Infineon技术文档“IG盯模块的损耗、温度和安全运行”（梁知宏，2007）相关的内容是:IGBT模块的安全运行安全运行的基本条件：■温度：IGBT结温峰值 Tj_peak < 125C （150C*）模块规格书给出了两个IGBT最高允许结温：Tjmax = 150C （175C*）-指无开关运行的恒导通状态下；Tvj（max） = 125C （150C*）-指在正常的开关运行状态下Tvj（max）规定了IGBT关断电流、短路、功率交变（PC）所允许的 最高结温 600V IGBT3； 1200V和1700V IGBT4； 3300V IGBT3从引用的上述三篇文档中，我们可以知道：第一、功率模块器件资料里一般给出两个最高允许结温（Tvjmax和Tvjop）, Tvjop比Tvjmax 小。

比如，Tvjmax为175度时Tvjop 一般为150度，而Tvjmax为150度时Tvjop 一般为125 度功率模块实际运行在开关状态下，必须以Tvjop作为最高允许结温值因为Tvjop已经 考虑到开关运行状态下热损耗的瞬态变化以及结温的瞬态变化，一般可以不用再考虑实际结 温的瞬态波动，而是通过功率模块的平均热损耗计算芯片的平均结温，来判断是否超过最高 允许结温Tvjop （对于某些瞬态热损耗极限值很大、持续时间较长的工况，需要通过瞬态热 损耗和瞬态结壳热阻抗Zthjc计算瞬态结温，且不超过最高允许结温值Tvjop,作为判断功率 模块瞬态运行是否安全的依据）；第二、在我司“器件应力降额操作指导书”附件1元器件降额查检表中，关于IGBT和整流桥 结温降额的规定：额定结温不大于150度的，降额为额定值减40； 150至175度的，降额为额 定值减50； 175度以上降额为额定值减60度也就是，Tvjmax为150度时降额为110度，Tvjmax 为175度时降额为125度可见，降额后的结温比第一点中相应的最高允许结温值Tvjop小， 已经考虑了一定的设计裕量，可以作为稳态热仿真的结温判断标准；第三、功率模块的（等效）结温不能直接用热电偶测量得。