Simulation 3-Level-IGBT-Wechselrichter - Zth Messtechnik - transiente thermische Impedanz von Leistungshalbleitern

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 3-Level-NPC1-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 3-Level-NPC1-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/2)
Zth-Messungen von allen IGBTs und Dioden im Phasenmodul, sowie Messungen der transienten thermischen Verkopplung zwischen allen
IGBTs und Dioden (10 Zth-Messungen + 90 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.
Der Halbleiterhersteller hat das Phasenmodul mit den jeweils gleichen IGBT-Chips und Diodenchips realisiert.

3-Level-NPC1-Wechselrichter-Simulationsmodell mit 3-Phasen Asynchronmotor:

Abkürzungen:

Uo_oben, Uo_unten=DC-Versorgungsspannung

T1 - T12=IGBT

D1 - D18=Diode

T1 - T4, D1 - D4, D13, D14=Modul Phase U

T5 - T8, D5 - D8, D15, D16=Modul Phase V

T9 - T12, D9 - D12, D17, D18=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 2ns
Induktivität Ls1=Ls2=Ls3, Lh1=Lh2=Lh3, Lr1=Lr2=Lr3
Widerstand Rs1=Rs2=Rs3, Rr1=Rr2=Rr3
keine Totzeiten bei Unterschwingungsverfahren
Sperrverluste bei T1, T2, T3, T4, D1, D2, D3, D4, D13, D14 immer 0W
(Messung: T1/D1 (jeweils 2 Chips) bei 400V/150°C = 0,58W)
keine Temperaturberechnung für Transistoren und Dioden in Phase V und Phase W
Temperatur für die Transistoren in Phase V und Phase W wird aus Mittelwert von T1 bis T4 gebildet
Temperatur für die Freilaufdioden in Phase V und Phase W wird aus Mittelwert von D1 bis D4 gebildet
Temperatur für die Clampingdioden in Phase V und Phase W wird aus Mittelwert von D13 bis D14 gebildet

Simulationsergebnis:

Parameter:

3-Level-NPC1-IGBT-Phasenmodul 300A/650V
Uo=2x400V
Kühlkörper: geschlossener Wasserkühler mit 14,5mm Deckplatte
Wärmeleitpaste: silikonfrei
Kühlmedium: Wasser 8l/min

Simulationszeit=0-100s, Schrittweite=10ns
Grundfrequenz=400Hz

Modulationsfrequenz=12000Hz
Modulationsgrad=0,75
Modulationsart: 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 10 Halbleiter im

Zeitbereich zwischen 99,995s und 100s (2 Perioden). Man sieht hier

deutlich, dass die inneren Transistoren T2 und T3, sowie die Clampingdioden

D13 und D14 eine wesentlich höhere Sperrschichttemperatur aufweisen, als die

restlichen Halbleiter. Betrachtet man die Verlustleistungstabelle (rechts) aus der

Simulationsdatei, erkennt man die hohen Durchlaßverluste dieser Halbleiter.

Der Grund liegt in einer langen Durchlaßphase dieser Bauteile während einer

gesamten Halbwelle. Hier zeigt die Simulation, dass durch den Einsatz von

optimierten Bauelementen die Zuverlässigkeit wesentlich erhöht werden kann.

Berechnungszeit: letzte Sekunde der Simulation

T1: Pgesamt: 111.537W Pon/off: 76.525W Pdurchlass: 35.012W

T2: Pgesamt: 172.371W Pon/off: 46.652W Pdurchlass: 125.719W

T3: Pgesamt: 183.409W Pon/off: 45.514W Pdurchlass: 137.896W

T4: Pgesamt: 108.297W Pon/off: 74.443W Pdurchlass: 33.855W

D1: Pgesamt: 23.688W Pon/off: 10.425W Pdurchlass: 13.263W

D2: Pgesamt: 14.825W Pon/Poff: 0W Pdurchlass: 14.825W

D3: Pgesamt: 15.706W Pon/Poff: 0W Pdurchlass: 15.706W

D4: Pgesamt: 24.945W Pon/off: 10.884W Pdurchlass: 14.061W

D13: Pgesamt: 105.286W Pon/off: 19.990W Pdurchlass: 85.295W

D14: Pgesamt: 99.216W Pon/off: 19.619W Pdurchlass: 79.597W

P(Phase U): 29029.336W (Phasenspannung U * Statorstrom)

Wirkungsgrad: 97.125%

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.

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