仿真看世界之IPOSIM的散熱器熱阻Rthha解析

如何評估IGBT模塊的損耗與結溫？英飛凌官網在線仿真工具IPOSIM，是IGBT模塊在選型階段的重要參考。這篇文章將針對IPOSIM仿真中的散熱器熱阻參數Rthha，給大家做一些清晰和深入的解析。

• IPOSIM中Rthha定義：折算到每個Switch(開關)的散熱器熱阻

• 折算思路：對于常規(guī)模塊，先確定散熱器的總熱阻，再根據散熱器包含的Switch數量，折算出熱阻Rthha。對于PIM模塊，其散熱器熱阻需要額外計算。

一、 兩電平仿真中的Rthha的定義與設置

在兩電平逆變拓撲中，每個Switch基本單元為：T1+D1

兩電平舉例說明：3XFF600R12KE4 per Inverter

(FF600R12KE4)

62mm封裝的半橋模塊如上，三個半橋模塊置于散熱器，組成完整的三相逆變拓撲。假設每個模塊200W損耗，散熱器的溫升30℃，則散熱器總熱阻為30℃/(200W*3)=0.05K/W。

散熱器總共包含了6個Switch基本單元，因此IPOSIM中Rthha為：0.05*6=0.30K/W。

二、 三電平仿真中的Rthha的定義與設置
三電平的拓撲相對復雜一些，以常見的三種拓撲NPC1、NPC2和ANPC為例，分別進行說明：

在NPC1拓撲中，每個Switch基本單元為：T1+D1+T2+D2+D5

在NPC2拓撲中，每個Switch基本單元為：T1+D1+T2+D2

在ANPC拓撲中，每個Switch基本單元為：T1+D1+T2+D2+T5+D5

三電平NPC1舉例說明：
3XF3L150R07W2E3_B11 per Inverter
?? ??? ?

(F3L150R07W2E3_B11)

在中小功率的三電平應用里，1個模塊就能裝下三電平的1個甚至3個橋臂。如Easy2B封裝的三電平模塊F3L150R07W2E3_B11，模塊內為1個NPC1橋臂，3個模塊置于散熱器上，組成完整的三電平的三相逆變拓撲。假設每個Easy2B模塊損耗200W, 散熱器的溫升30℃，則散熱器總熱阻為：30℃/(200W*3)=0.05K/W。
散熱器總共包含了6個Switch基本單元，因此IPOSIM中Rthha為：0.05*6=0.30K/W。

三電平ANPC舉例說明：
3XFF600R12ME4_B72 per phase

(FF600R12ME4_B72)

在大功率的三電平應用里，往往需要多個模塊才能組成1個三電平橋臂，如EconoDual3?封裝的半橋模塊FF600R12ME4_B72，3個模塊組成1個ANPC或NPC1的橋臂，同樣3個模塊置于散熱器上，只是三電平拓撲的某一相。假設3個模塊損耗一共1200W，散熱器溫升50℃，則散熱器總熱阻為50℃/1200W=0.042K/W。

散熱器只包含了2個Switch基本單元，因此IPOSIM中Rthha為：0.042*2=0.084K/W。

三、 變頻器PIM模塊仿真中的Rthha的定義與設置
在中小功率的變頻器應用里，常常會用到PIM模塊(包含整流、制動和逆變)，如英飛凌最新IGBT7系列EasyPIM模塊FP25R12W2T7_B11。

如下圖所示，是基于有限元熱仿真的散熱器表面溫度分布：環(huán)境溫度50℃，散熱器表面最高溫度82.3℃，其中每個整流二極管RD的損耗為3W，每個IGBT的損耗為10W，每個FWD的損耗為4W。

考慮到模塊內整流部分和逆變部分的相互影響，我們可分別計算逆變(Inv)和整流(Rec)部分的Switch對應的散熱器熱阻Rthha，其中：

PIM模塊逆變部分的散熱器熱阻Rthha(Inv)=(82.3℃-50℃)/(10W+4W)=2.30K/W

PS：如果按散熱器總熱阻X6去折算逆變部分的熱阻，會存在低估的情況：

散熱器總熱阻=(82.3℃-50℃)/(6*10W+6*4W+6*3W)=0.317K/W，

即0.317*6=1.90K/W，

比上述的熱阻值2.30K/W偏低約18%。

散熱器(總)熱阻在不同工況下的變化
散熱器的熱阻并非定值，而是會隨熱源的分布變化而變化。

在一些大功率三電平的應用場合，一方面，各個模塊之間的損耗不同；同時，模塊間損耗差異還會隨著工況不同而變化，因此，需要格外關注此時散熱器總熱阻的變化情況。如下，分別以常見白模塊和黑模塊三電平NPC1拓撲為例，進行簡單的分析。

案例一
基于EconoDual?3白模塊NPC1三電平，在某種水冷條件下，不同工況時的散熱器總熱阻：

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?

案例二
基于PrimePACK?3黑模塊NPC1三電平，在某種水冷條件下，不同工況時的散熱器總熱阻：

?

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因此，需考慮最惡劣工況下的熱阻，或者在不同工況仿真時，采取不同的散熱器熱阻應對，以獲得更準確的仿真結果。

綜上所述，文章總結了在IPOSIM中Rthha參數，在兩電平和三電平應用中的定義與設置，以及一些常見的問題，期望對大家如何正確選取Rthha進行準確的IPOSIM仿真有所幫助。

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。

趕緊打開IPOSIM試試吧。

作者：英飛凌科技大中華區(qū)應用工程師 張浩