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

Zth-Messtechnik Kiffe
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Simulation 3-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 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.
Neu: Die Software ist jetzt auch als Dynamic Link Library (DLL) verfügbar. Durch Einbinden dieser Bibliothek in numerische Simulationsprogramme lassen sich
damit komplexe umrichtergespeiste Antriebe simulieren.

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=15,8m
Rotorwiderstand Rr1/Rr2/Rr3=10m
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.

Die Daten von dem Simulationsbeispiel können im Downloadbereich abgerufen werden.


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