基于改进的三维热网络模型的汽车功率模块动态结温估计方法研究

2026-08-07 18:51:29

　　为了解决汽车应用中高功率多芯片IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块在复杂电热转换过程中结温预测精度与计算效率之间的平衡难题，研究人员提出了一种基于等效功率损耗注入的改进三维热网络模型。首先，通过三维有限元仿真提取实际热流分布下各封装层的有效导热面积，并构建单芯片

　　为了解决汽车应用中高功率多芯片IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块在复杂电热转换过程中结温预测精度与计算效率之间的平衡难题，研究人员提出了一种基于等效功率损耗注入的改进三维热网络模型。首先，通过三维有限元仿真提取实际热流分布下各封装层的有效导热面积，并构建单芯片自热网络参数。其次，针对多芯片间的热交叉耦合效应，应用椭圆热扩散模型精确界定热耦合区域，并引入动态等效功率损耗补偿机制，在不增加模型状态空间维度的情况下实现多热源干扰的高效解耦。实验基准对比结果表明，该模型在稳态工况下对结温预测的绝对误差为0.5 °C。进一步在完整CLTC-P（中国轻型乘用车测试循环）工况下的对比分析验证，改进模型不仅克服了传统Foster模型严重低估瞬态峰值结温和交变应力幅值的缺陷，还能有效滤除短时超窄脉冲引起的非物理过冲，从而将器件最大结温合理估计在真实物理边界内。该方法为电动汽车复杂工况下准确的动态结温预测和可靠性评估提供了高效的理论支撑。

　　绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块是集成了多个IGBT芯片和续流二极管（FWD）芯片的功率电子器件，广泛应用于航空航天、轨道交通、新能源发电及电动汽车等高功率电能转换领域。芯片结温不仅是表征IGBT模块瞬态能效和稳态热力学状态的核心物理参数，其剧烈波动也是封装材料热机械疲劳退化的根本物理诱因。由于高压大功率器件采用紧密层叠封装和高绝缘硅胶灌封，获取内部芯片的瞬态结温在技术上极具挑战性。目前离线结温提取方法主要分为三类：直接物理检测法、热敏感电参数（TSEP）法以及基于物理降阶的等效热网络建模法。直接物理检测法（如NTC热敏电阻、光纤传感器、红外热成像）大多具有侵入性，需破坏器件原始封装，难以应用于电动汽车高压逆变器的车载在线监测。TSEP法响应速度快，但长期运行中器件内部疲劳损伤（如键合线翘起、焊料层空洞）引起的电参数漂移会与纯温度效应严重混叠，导致TSEP法在器件老化中后期结温预测失真，无法实现全生命周期动态跟踪。鉴于物理检测和TSEP法的工程局限，基于有限元仿真或实验的等效提取热网络模型凭借高计算效率和不侵入物理封装的优势，成为当前车规级模块瞬态结温估计的行业标准方法。经典降阶模型主要包括Foster和Cauer两种拓扑结构。Foster模型通常通过多阶指数函数拟合端口瞬态热阻抗冷却曲线提取，其核心优势在于数学推导简单、宏观时域求解极快，但本质上是纯数学意义的并联拟合网络，内部RC节点无法与模块实际封装层建立物理映射，只能输出黑箱整体结温，无法提取内部焊料层局部温度梯度，难以直接应用于精细的层间热应力分析。Bahman等人指出，Foster网络纯数学拟合的黑箱特性使其在外部冷却边界条件变化或需提取内部多层热特性时易产生不真实的温度行为，严重限制了其在精细热设计和寿命评估中的应用。Cauer模型基于一维热传导偏微分方程离散化，其RC串联节点具有严格的物理层次对应关系，但传统一维Cauer模型在降阶提取过程中通常假设各层材料中热流扩散角恒定。在实际复杂三维封装中，由于边缘效应和材料属性不匹配，热流扩散边界具有高度时变性和非线性，这种一维降阶和固定扩散角的理想化假设会导致传统热网络模型在处理复杂工况下的瞬态脉冲负载时产生固有的理论截断误差。Yang等人的定量研究也证实，传统一维Cauer降阶模型中盲目应用45°固定扩散角假设会导致多层封装结构下底层有效导热面积严重失配，从而引起结温估计显著偏差。在现代电动汽车高功率密度逆变器中，主要挑战来自多芯片并联封装架构。传统热网络模型普遍存在固有的孤立热源假设缺陷，即将内部每个IGBT和二极管芯片视为互不干扰的独立热力学系统。当模块在实际行驶工况下运行时，相邻IGBT芯片和反并联二极管为了输出高频交替的相电流，同时或交替高频地产生极高热流密度。这些热流向下传导至高导热率的DBC铜层和底部厚铜基板时，其热扩散截面会发生深度横向重叠和空间压缩，形成强热交叉耦合效应。由于厚铜基板横向导热率极高但模块整体对流散热界面有限，这种热干扰会导致严重的基板热量积聚效应，使局部等效热阻急剧增加。Poller等人的多物理场交叉研究表明，若忽略底部散热通道中发生的热流干扰，传统降阶网络会严重低估多负载动态激励下器件的峰值结温，并错误评估稳态热冷却基线的漂移。因此，Bahman等人考虑了IGBT模块中的相互热耦合模型，Gorecki等人提出了互热耦合表征的测量方法。综上所述，突破传统一维孤立传热假设，基于真实三维物理热扩散特性重建能够精确解耦多芯片热干扰的改进热网络模型，是实现电动汽车复杂工况下精确动态结温预测的关键突破。为此，本文提出一种基于等效功率损耗注入的改进三维热网络模型，旨在不增加求解维度的前提下，高保真度地再现中国轻型乘用车测试循环（CLTC-P）下的动态电热响应。

　　研究人员开展了基于等效功率损耗注入的改进三维热网络模型研究，并得出以下结论：（1）揭示了多芯片热交叉耦合主导器件极端温升的核心机制，当多芯片同时工作时，相邻芯片的热扩散区域在深层厚铜基板内发生大面积重叠，导致局部热流显著叠加，这种空间热干扰使IGBT峰值结温相对单芯片独立加热升高186.6%，构成器件极端热负载的根本物理原因。（2）建立了兼顾预测精度与求解效率的改进三维热网络模型，针对传统方法导致的模型维度扩展问题，引入动态等效功率损耗补偿机制，在不增加系统状态空间维度的情况下实现热交叉耦合的高效解耦。实验基准验证表明，该模型在稳态条件下结温预测绝对误差仅为0.5 °C，融合了有限元级的计算精度与一维网络的求解速度。（3）量化并精确修正了传统模型在动态工况下的预测盲区，通过完整CLTC-P全工况动态对比发现，传统Foster模型严重低估器件瞬态峰值结温（最大低估20.80 °C）和热冲击幅值，而本文改进模型不仅准确再现了长时间连续运行下的热量积聚和基线抬升，还通过动态低通滤波特性有效消除了超短脉冲引起的非物理数值过冲，将器件最大结温合理约束在真实物理边界内，为后续热疲劳寿命评估提供了高保真度数据支撑。该论文发表在《Applied Sciences》。

　　研究人员采用的几个主要关键技术方法包括：（1）基于COMSOL Multiphysics 6.0软件建立Infineon FS400R07A1E3 IGBT模块的三维物理模型，并进行稳态和瞬态电热耦合有限元分析，提取各截面平均热流密度和有效导热面积。（2）提出基于有效导热面积计算的改进三维Cauer型热网络模型，通过有限元仿真精确提取不同传热深度下的动态有效导热面积Az，并结合温度依赖的热物理参数计算各封装层的自热热阻和自热热容。（3）引入椭圆热扩散模型确定热耦合层次，并基于等效功率损耗注入机制实现多热源干扰的动态解耦，通过稳态交叉耦合比例系数Kcoup和一阶惯性环节τcross构建动态等效耦合功率Peq_d(s)。（4）采用文献[16]中的标准多芯片IGBT模块测试平台及红外热像仪实验数据作为基准验证模型稳态精度，并在CLTC-P全工况下与传统四阶Foster热网络模型进行动态结温对比分析。

　　为客观验证改进三维热网络模型的准确性，研究人员采用文献[16]中的标准多芯片IGBT模块测试平台及实验数据作为基准。在恒定DC测试电流20 A、水冷板温度20 °C、环境温度22 °C的稳态条件下，使用FLUKE Ti450红外热像仪记录各芯片稳态结温分布。通过对比，位于模块中心的IGBT2芯片稳态结温实测值为31.4 °C，三维有限元仿线 °C，改进热网络模型预测值为30.9 °C，绝对误差仅0.5 °C。对于两侧芯片IGBT1和IGBT3，改进模型预测值分别为30.7 °C和30.7 °C，与实测值（29.3 °C和30.6 °C）及有限元仿线 °C）高度吻合，证明了该解耦方法在稳态热评估中的可靠性。

　　将CLTC-P全周期1800秒瞬态功率损耗序列同步输入传统四阶Foster模型和本文改进三维热网络模型，将全周期分为低速拥堵、中速平顺和高速巡航三个典型特征段进行对比分析。

　　（1）低速拥堵段：传统Foster模型由于忽略多芯片热交叉耦合，低估IGBT峰值结温18.81 °C，续流二极管峰值结温低估22.4 °C，同时低估热冲击幅值（改进模型为146.86 °C，传统模型为128.05 °C）。但两模型平均IGBT结温仅差0.36 °C，验证了动态热惯性补偿的合理性。

　　（2）中速平顺段：传统模型低估IGBT峰值结温至149.42 °C，而改进模型准确捕捉到170.22 °C；IGBT温度波动幅值偏差达23 °C，续流二极管偏差达21.00 °C。平均结温一致性再次验证了低通滤波特性的正确性。

　　（3）高速巡航段：持续高速负载导致平均IGBT结温升至全局最高71.23 °C，但峰值和波动幅值低于中速段。改进模型正确捕捉到“高基线、低波动”的热特征，而传统模型仍低估波动幅值超过10 °C。此外，改进模型揭示续流二极管在强持续交叉耦合下峰值结温达75.73 °C，波动幅值54.59 °C，而传统模型仅给出53.55 °C和32.35 °C，表明低损耗辅助芯片在高速度下仍面临严重热老化风险。

　　为解决大功率多芯片车用IGBT模块在复杂电热转换过程中结温预测精度与计算效率之间的矛盾，本文提出了一种基于等效功率损耗注入的改进三维热网络模型。主要结论如下：（1）揭示了多芯片热交叉耦合主导器件极端温升的核心机制。当多芯片同时工作时，相邻芯片的热扩散区域在深层厚铜基板内大面积重叠，导致局部热流显著叠加，这种空间热干扰使IGBT峰值结温相对单芯片独立加热升高186.6%，构成器件极端热负载的根本物理原因。（2）建立了兼顾预测精度与求解效率的改进三维热网络模型。针对传统方法导致的模型维度扩展问题，该模型引入动态等效功率损耗补偿机制，在不增加系统状态空间维度的情况下实现热交叉耦合的高效解耦。实验基准验证表明，该模型在稳态条件下结温预测绝对误差仅为0.5 °C，融合了有限元级的计算精度与一维网络的求解速度。（3）量化并精确修正了传统模型在动态工况下的预测盲区。通过完整CLTC-P全工况动态对比发现，传统Foster模型严重低估器件瞬态峰值结温（最大低估20.80 °C）和热冲击幅值，而本文改进模型不仅准确再现了长时间连续运行下的热量积聚和基线抬升，还通过动态低通滤波特性有效消除了超短脉冲引起的非物理数值过冲，将器件最大结温合理约束在真实物理边界内，为后续热疲劳寿命评估提供了高保真度数据支撑。