Simulation 2-Level-IGBT-Wechselrichter
Beispiele
Steigende Leistungsdichten bei der Entwicklung von Modulen und Umrichtern führen zu immer höheren Halbleitertemperaturen. Um die Zuverlässigkeit der
Komponenten zu gewährleisten, gewinnt die thermische Optimierung zwischen Halbleiterchip und Kühlkörper immer mehr an Bedeutung (Chip-Optimierung,
Layout-Optimierung). Durch eine Simulation können frühzeitig Probleme im Vorfeld aufgedeckt und vermieden, sowie Entwicklungskosten eingespart werden.
Die von der Zth-Messtechnik Kiffe entwickelte thermisch-elektrische Simulationssoftware für 2-Level-Wechselrichter auf "Basis von Messungen"
ermöglicht dem Anwender, die Sperrschichttemperatur der einzelnen Halbleiterchips in einem Leistungsmodul sehr genau im Zeitbereich zu simulieren.
Die Software ist auch als Dynamic Link Library (DLL) verfügbar.
Folgende Messergebnisse sind in der 2-Level-Wechselrichter-Simulationssoftware integriert:
- Durchlassmessungen von allen IGBTs und Dioden im Phasenmodul bei verschiedenen Temperaturen (inkl. den Spannungsabfällen im Modul)
- Schaltmessungen von IGBT und Diode im Phasenmodul bei verschiedenen Lastströmen und Temperaturen (Uschalt = Uzk)
- Zth-Messungen von allen IGBTs und Dioden im Phasenmodul, sowie Messungen der transienten thermischen Verkopplung zwischen allen
IGBTs und Dioden (4 Zth-Messungen + 12 Verkopplungsmessungen)Beispiel: transiente thermische Verkopplung im Phasenmodul (IGBT T1)
Das Bild zeigt die Abkühlkurven der verschiedenen IGBTs und Dioden im Phasenmodul nach dem Abschalten des Laststromes von T1. Die Abkühlkurven
wurden aus den extrahierten R/C-Gliedern der Messkurven erstellt. Das Chip-Layout-Bild zeigt dazu die räumliche Lage der verschiedenen IGBTs und Dioden.Kühlung: geschlossener Wasserkühler, Aufheiz-/Abkühlzeit: jeweils 100s.
2-Level-Wechselrichter-Simulationsmodell mit 3-Phasen Asynchronmotor:
Abkürzungen:
Uo=DC-Versorgungsspannung
T1, T2=IGBT
D1, D2=Diode
T1, T2, D1, D2=Modul Phase U
T3, T4, D3, D4=Modul Phase V
T5, T6, D5, D6=Modul Phase W
Struktur Simulationsprogramm:
Rs1, Rs2, Rs3=Statorwiderstand
Ls1, Ls2, Ls3=Statorinduktivität
Lh1, Lh2, Lh3=Hauptinduktivität
Lr1, Lr2, Lr3=Rotorinduktivität
Rr1, Rr2, Rr3=Rotorwiderstand
Rschl1, Rschl2, Rschl3=Schlupfwiderstand
Einschränkungen:Eingestellte Schrittweite=10ns, Fehler von ca. 0,3% bei der Stromberechnung gegenüber einer Schrittweite von 2nsInduktivität Ls1=Ls2=Ls3, Lh1=Lh2=Lh3, Lr1=Lr2=Lr3Widerstand Rs1=Rs2=Rs3, Rr1=Rr2=Rr3keine Totzeiten bei UnterschwingungsverfahrenSperrverluste bei T1, T2, D1, D2 immer 0W(Messung: T1/D1 (jeweils 3 Chips) bei 700V/125°C = 0,19W)keine Temperaturberechnung für Transistoren und Dioden in Phase V und Phase WTemperatur für die Transistoren in Phase V und Phase W wird aus Mittelwert von T1 und T2 gebildetTemperatur für die Freilaufdioden in Phase V und Phase W wird aus Mittelwert von D1 und D2 gebildetSimulationsergebnis:
Parameter:
2-Level-IGBT-Phasenmodul 450A/1200VUo=700VKühlkörper: geschlossener Wasserkühler mit WaffelstruktureinsatzWärmeleitpaste: silikonfreiKühlmedium: Wasser 8l/minSimulationszeit=0-100s, Schrittweite=10nsGrundfrequenz=400Hz
Modulationsfrequenz=12000HzModulationsgrad=0,75Modulationsart: Unterschwingungsverfahren
Starttemperatur (Tamb)=25,00°C
Motordaten:
Statorinduktivität Ls1/Ls2/Ls3=0,195mH
Hauptinduktivität Lh1/Lh2/Lh3=11,1mH
Rotorinduktivität Lr1/Lr2/Lr3=0,238mH
Statorwiderstand Rs1/Rs2/Rs3=15,8mΩ
Rotorwiderstand Rr1/Rr2/Rr3=10mΩ
Schlupf=0,040
Die Grafik zeigt die simulierten Sperrschichttemperaturen der 4 Halbleiter im Zeitbereich zwischen 99,995s und 100s (2 Perioden).
Betrachtet man den Simulationsvergleich geschlossener Wasserkühler / offener Wasserkühler, erkennt man, dass durch die richtige
Wahl des Kühlkörpers eine wesentlich effizientere Entwärmung der Halbleiter möglich ist (gleicher Durchfluß, gleicher Druckabfall).
Das Bild zeigt die simulierten Phasenströme durch die Wicklungen, sowie die Magnetisierungsströme.
Das Simulationsprogramm und die Daten von dem Simulationsbeispiel können im Downloadbereich abgerufen werden.