仿真看世界之IPOSIM的散热器热阻Rthha解析

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EconoDual™3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：