Wpływ postaci modelu termicznego na dokładność obliczania charakterystyk statycznych modułu IGBT

• Autorzy: Górecki Krzysztof , Górecki Paweł

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2022.09.35

Warianty tytułu

EN

(Influence of the form of the thermal model on accuracy of computing DC characteristics of IGBT module

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przeanalizowano wpływ postaci modelu termicznego modułu IGBT na dokładność obliczeń jego charakterystyk statycznych. Moduł taki zawiera we wspólnej obudowie kilka struktur półprzewodnikowych. W rozważanym module zachodzi zjawisko samonagrzewanie w każdej strukturze półprzewodnikowej oraz wzajemne sprzężenia cieplne między każdą parą tych struktur. Rozważania przeprowadzono dla modułu zawierającego 2 tranzystory IGBT i dwie diody połączone w jedną gałąź falownika oraz termistor. Badania przeprowadzono przy wykorzystaniu programu SPICE uwzględniając 4 rodzaje modeli termicznych modułu. Pierwszy z nich nie uwzględnia ani samonagrzewania, ani wzajemnych sprzężeń cieplnych. Drugi uwzględnia jedynie samonagrzewanie w poszczególnych strukturach półprzewodnikowych. Trzeci model uwzględnia oba zjawiska cieplne charakteryzowane przez rezystancje termiczne o ustalonej wartości. Czwarty model uwzględnia oba zjawiska cieplne oraz zależność rezystancji termicznej od mocy traconej w poszczególnych strukturach półprzewodnikowych. Wyniki obliczeń porównano z wynikami pomiarów uzyskanych dla trzech różnych warunków chłodzenia. Przedyskutowano zakres zastosowań poszczególnych modeli.

EN

This paper analyzes the influence of the form of the thermal model of the IGBT module on the accuracy of computations of their DC characteristics. Such a module contains several semiconductor dies in a common case. In such a module, the phenomenon of self-heating occurs in each semiconductor die and mutual thermal couplings between each pair of these dies. Considerations are made for the module containing 2 IGBTs and two diodes connected into one branch of the inverter and a thermistor. The investigations are carried out with the use of SPICE software, taking into account 4 types of thermal models of this module. The first one does not take into account either self-heating or mutual thermal couplings. The second takes into account only self-heating in individual semiconductor dies. The third model takes into account both thermal phenomena characterized by thermal resistances of a fixed value. The fourth model takes into account both thermal phenomena and the dependence of the thermal resistance on the power lost in individual semiconductor dies. The calculation results are compared with the measurement results obtained for three different cooling conditions. The range of application of individual models is discussed.

Słowa kluczowe

PL

moduł IGBT; model termiczny; samonagrzewanie; wzajemne sprzężenia termiczne; analiza elektrotermiczna; SPICE

EN

IGBT module; thermal model; self-heating; mutual thermal coupling; electrothermal analysis; SPICE

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 98, nr 9
• Strony: 158--161
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Górecki Krzysztof

• Uniwersytet Morski w Gdyni, Katedra Elektroniki Morskiej, ul. Morska 83, Gdynia

• https://orcid.org/0000%E2%80%900002%E2%80%909857%E2%80%908235

autor

Górecki Paweł

• Uniwersytet Morski w Gdyni, Katedra Elektroniki Morskiej, ul. Morska 83, Gdynia

• https://orcid.org/0000-0001-5544-2373+

Bibliografia

• [1] Perret R.: Power Electronics Semiconductor Devices. John Wiley & Sons, Ltd. 2009.
• [2] Muc A, Iwaszkiewicz J., Mysiak P., Piechowski L.: System zasilania falowników wielopoziomowych wykorzystujący wielopulsowe prostowniki z dławikami sprzężonymi magnetycznie. Przegląd Elektrotechniczny, R. 97, nr 2, 2021, s.72-76.
• [3] Dbeiss M., Avenas Y., Zara H.: Comparison of the electrothermal constrains on SiC MOSFET and Si IGBT power modules in photovoltaic DC/AC inverters. Microelectronics Reliability, Vol. 78, 2017, pp. 65-71.
• [4] An N., Du M., Hu Z., Wie K.: A High-Precision Adaptive Thermal Network Model for Monitoring of Temperature Variations in Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Modules. Energies, Vol. 11, No. 3, 2018, 595.
• [5] Bahman A., Ma K., Blaabjerg F.: A Lumped Thermal Model Including Thermal Coupling and Thermal Boundary Conditions for High-Power IGBT Modules. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 33, No. 3, 2018, pp. 2518-2530.
• [6] Castellazzi A., Gerstenmaier Y.C., Kraus R., Wachutka G.K.M.: Reliability analysis and modeling of power MOSFETs in the 42-VPowerNet, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 21, No. 3, 2006, pp.603-612.
• [7] P. Górecki, K. Górecki: Modelling dc characteristics of the IGBT module with thermal phenomena taken into account. 13th Int. Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering (CPE-POWERENG), 2019, pp. 1-6, doi: 10.1109/CPE.2019.8862319.
• [8] R. Wu, H. Wang, K. B. Pedersen, K. Ma, P. Ghimire, F. Iannuzzo,F. Blaabjerg: A temperature-dependent thermal model of IGBT modules suitable for circuit-level simulations. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 52, No. 4, 2016, pp. 3306–3314.
• [9] Rashid M.H., Rashid H.M.: Spice for power electronics and electric power, 2006, CRC press.
• [10] Górecki P., Górecki K.: Methods of Fast Analysis of DC-DC Converters – A Review. Electronics, Vol. 10, No. 23, 2021, 2920.
• [11] Górecki P., Górecki K., Zarębski J.: Accurate circuit-level modelling of IGBTs with thermal phenomena taken into account. Energies, Vol. 14, No. 9. 2021, 2372.
• [12] Górecki K., Detka K.: Application of Average Electrothermal Models in the SPICE-Aided Analysis of Boost Converters, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 66, no. 4, 2019, pp. 2746-2755.
• [13] Mawby PA, Igic PM, Towers MS: Physically based compact device models for circuit modelling applications, Microelectronics Journal, Vol. 32, No. 5-6, 2001, pp. 433-447.
• [14] Starzak Ł., Zubert M., Janicki M., Torzewicz T., Napieralska M., Jabloński G., Napieralski A., Behavioral approach to SiC MPS diode electrothermal model generation. IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. 60, No. 2, 2013, pp. 630-638.
• [15] K. Górecki, J. Zarębski, P. Górecki, P. Ptak: Compact thermal models of semiconductor devices – a review. Int. Journal of Electronics and Telecom., Vol. 65, No. 2, 2019, pp. 151-158.
• [16] Schweitzer, D.; Ender, F.; Hantos, G.; Szabo, P.G. Thermal transient characterization of semiconductor devices with multiple heat-sources—Fundamentals for a new thermal standard. Microelectronics J., Vol. 46, 2015, pp. 174–182.
• [17] PSI 25/06 Power module, Data sheet, PowerSem, 2002.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).