Flotherm：IGBT熱仿真模型的校準(zhǔn)

仿真客

2023年6月30日 17:04

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背景介紹

無(wú)論什么學(xué)科，什么類型的仿真模型，都會(huì)設(shè)置各種參數(shù)的數(shù)值。由于種種原因，部分參數(shù)的預(yù)估和猜測(cè)是不可避免的。但是參數(shù)的預(yù)估和猜測(cè)會(huì)導(dǎo)致仿真模型準(zhǔn)確性不足，和實(shí)際物理場(chǎng)景不一致。由此，仿真模型得到的結(jié)果可信度會(huì)大打折扣。

兩者有多接近？

為此，提出了模型校準(zhǔn)的概念。所謂模型校準(zhǔn)，是通過(guò)對(duì)仿真模型的參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)整，以使仿真模型的參數(shù)和物理實(shí)際充分接近的迭代過(guò)程。

在電子熱仿真中，通常涉及模型校準(zhǔn)的是元器件級(jí)和板級(jí)的仿真。

元器件級(jí)熱仿真

板級(jí)熱仿真

通過(guò)模型校準(zhǔn)，不僅可以提高仿真模型的可信度，也可以提高仿真模型針對(duì)不同物理場(chǎng)景下的可重復(fù)利用能力，得到的某些參數(shù)可以在整機(jī)和環(huán)境級(jí)分析中提供元器件相關(guān)的更準(zhǔn)確參數(shù)。

模型是否進(jìn)行過(guò)校準(zhǔn)，其仿真結(jié)果可能會(huì)有較大差異。

某型號(hào)芯片熱仿真模型校準(zhǔn)前后的節(jié)溫比較

模型校準(zhǔn)前后，在第一個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)溫度分布對(duì)比

Flotherm軟件可以和T3ster熱阻測(cè)試儀聯(lián)合應(yīng)用，對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)。其校準(zhǔn)流程如圖所示。圖中橙色部分為Flotherm軟件操作，藍(lán)色部分為T3Ster硬件熱測(cè)試操作。

IGBT校準(zhǔn)案例

Part

仿真與測(cè)試的設(shè)置

對(duì)某型號(hào)的IGBT模型進(jìn)行校準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)如圖所示。其中，灰色部分是水冷板，黃色部分是IGBT的金屬底板，白色部分是IGBT外部的樹(shù)脂殼。

去除樹(shù)脂外殼后，IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。其中，白色部分為IGBT芯片，淺黃色部分為基板，灰色部分為陶瓷層，橘黃色部分為金屬底板。

工況設(shè)定如下表所示，T3Ster瞬態(tài)熱測(cè)試和Flotherm仿真模型采用相同設(shè)定。在仿真模型設(shè)定中，不考慮熱輻射，水冷板設(shè)定為固體，其材料參數(shù)考慮水流影響，IGBT的芯片硅材料需要考慮溫度對(duì)熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響。

外界環(huán)境溫度	25℃
水冷板底面溫度	25℃
發(fā)熱元件	IGBT芯片（部分區(qū)域）
發(fā)熱功率	75W
測(cè)試時(shí)間	100s

在100s時(shí)刻，IGBT內(nèi)部溫度分布如圖所示：

Part

模型校準(zhǔn)

STEP 1：

得到初始結(jié)果后，打開(kāi)Flotherm的Command Center模塊，將IGBT芯片的發(fā)熱區(qū)域的尺寸、位置以及焊錫導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為變量。

STEP 2：

在Command Center頁(yè)面下打開(kāi)模型校準(zhǔn)頁(yè)面，導(dǎo)入T3Ster的測(cè)試數(shù)據(jù)，并和仿真模型的設(shè)置信息進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)兩者設(shè)定是一致的。

STEP 3：

對(duì)模型進(jìn)行校核設(shè)定，其中，DOE的參數(shù)組合數(shù)量設(shè)定為10組，需要校準(zhǔn)的熱阻范圍為0至0.2 K/W。點(diǎn)擊Design Experiment按鈕創(chuàng)建參數(shù)組合，點(diǎn)擊Model Calibration按鈕開(kāi)始進(jìn)行模型校準(zhǔn)計(jì)算。