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 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, 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 W
Temperatur für die Transistoren in Phase V und Phase W wird aus Mittelwert von T1 und T2 gebildet
Temperatur für die Freilaufdioden in Phase V und Phase W wird aus Mittelwert von D1 und D2 gebildet

Simulationsergebnis:

Parameter:

2-Level-IGBT-Phasenmodul 450A/1200V
Uo=700V
Kühlkörper: geschlossener Wasserkühler mit Waffelstruktureinsatz
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 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.

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