●    IPOSIM中Rthha定義：折算到每個Switch(開關)的散熱器熱阻

 

●    折算思路：對於常規模塊，先確定散熱器的總熱阻，再根據散熱器包含的Switch數量，折算出熱阻Rthha。對於PIM模塊，其散熱器熱阻需要額外計算。

 

一、兩電平仿真中的Rthha的定義與設置

 

在兩電平逆變拓撲中
，每個Switch基本單元為：T1+D1

 

 

兩電平舉例說明：3XFF600R12KE4 per Inverter

 

 

(FF600R12KE4)

 

62mm封裝的半橋模塊如上
，三個半橋模塊置於散熱器
，組成完整的三相逆變拓撲。假設每個模塊200W損耗，散熱器的溫升30℃，則散熱器總熱阻為30℃/(200W*3)=0.05K/W。

 

散熱器總共包含了6個Switch基本單元，因此IPOSIM中Rthha為：0.05*6=0.30K/W。

 

二、三電平仿真中的Rthha的定義與設置

 

三電平的拓撲相對複雜一些，以常見的三種拓撲NPC1、NPC2和ANPC為例，分別進行說明：

 

 

在NPC1拓撲中，每個Switch基本單元為：T1+D1+T2+D2+D5

 

 

在NPC2拓撲中，每個Switch基本單元為：T1+D1+T2+D2

 

 

在ANPC拓撲中，每個Switch基本單元為：T1+D1+T2+D2+T5+D5

 

三電平NPC1舉例說明：

 

3XF3L150R07W2E3_B11 per Inverter

 

 

(F3L150R07W2E3_B11)

 

在中小功率的三電平應用裏
，1個模塊就能裝下三電平的1個甚至3個橋臂。如Easy2B封裝的三電平模塊F3L150R07W2E3_B11
，模塊內為1個NPC1橋臂

，3個模塊置於散熱器上，組成完整的三電平的三相逆變拓撲。假設每個Easy2B模塊損耗200W, 散熱器的溫升30℃，則散熱器總熱阻為：30℃/(200W*3)=0.05K/W。

 

散熱器總共包含了6個Switch基本單元
，因此IPOSIM中Rthha為：0.05*6=0.30K/W。

 

三電平ANPC舉例說明：

 

3XFF600R12ME4_B72 per phase

 

(FF600R12ME4_B72)

 

在大功率的三電平應用裏，往往需要多個模塊才能組成1個三電平橋臂，如EconoDual3™封裝的半橋模塊FF600R12ME4_B72，3個模塊組成1個ANPC或NPC1的橋臂，同樣3個模塊置於散熱器上

，隻是三電平拓撲的某一相。假設3個模塊損耗一共1200W，散熱器溫升50℃，則散熱器總熱阻為50℃/1200W=0.042K/W。

 

散熱器隻包含了2個Switch基本單元，因此IPOSIM中Rthha為：0.042*2=0.084K/W。

 

三
、變頻器PIM模塊仿真中的Rthha的定義與設置

 

在中小功率的變頻器應用裏
，常常會用到PIM模塊(包含整流

、製動和逆變)，如英飛淩最新IGBT7係列EasyPIM模塊FP25R12W2T7_B11。

 

 

如下圖所示，是基於有限元熱仿真的散熱器表麵溫度分布：環境溫度50℃
，散熱器表麵最高溫度82.3℃，其中每個整流二極管RD的損耗為3W，每個IGBT的損耗為10W，每個FWD的損耗為4W。

 

 

考慮到模塊內整流部分和逆變部分的相互影響，我們可分別計算逆變(Inv)和整流(Rec)部分的Switch對應的散熱器熱阻Rthha，其中：

 

PIM模塊逆變部分的散熱器熱阻Rthha(Inv)=(82.3℃-50℃)/(10W+4W)=2.30K/W

 

PS：如果按散熱器總熱阻X6去折算逆變部分的熱阻，會存在低估的情況：

 

散熱器總熱阻=(82.3℃-50℃)/(6*10W+6*4W+6*3W)=0.317K/W，

 

即0.317*6=1.90K/W，

 

比上述的熱阻值2.30K/W偏低約18%。

 

散熱器(總)熱阻在不同工況下的變化

 

散熱器的熱阻並非定值，而是會隨熱源的分布變化而變化。

 

在一些大功率三電平的應用場合，一方麵，各個模塊之間的損耗不同；同(tong)時(shi)，模(mo)塊(kuai)間(jian)損(sun)耗(hao)差(cha)異(yi)還(hai)會(hui)隨(sui)著(zhe)工(gong)況(kuang)不(bu)同(tong)而(er)變(bian)化(hua)，因(yin)此(ci)，需(xu)要(yao)格(ge)外(wai)關(guan)注(zhu)此(ci)時(shi)散(san)熱(re)器(qi)總(zong)熱(re)阻(zu)的(de)變(bian)化(hua)情(qing)況(kuang)。如(ru)下(xia)，分(fen)別(bie)以(yi)常(chang)見(jian)白(bai)模(mo)塊(kuai)和(he)黑(hei)模(mo)塊(kuai)三(san)電(dian)平(ping)NPC1拓撲為例，進行簡單的分析。

 

案例一

 

基於EconoDual™3白模塊NPC1三電平
，在某種水冷條件下，不同工況時的散熱器總熱阻：

 

 

案例二

 

基於PrimePACK™3黑模塊NPC1三電平
，在某種水冷條件下

，不同工況時的散熱器總熱阻：

 

 

因此，需考慮最惡劣工況下的熱阻，或者在不同工況仿真時，采取不同的散熱器熱阻應對
，以獲得更準確的仿真結果。

 

綜上所述，文章總結了在IPOSIM中Rthha參數，在兩電平和三電平應用中的定義與設置
，以及一些常見的問題，期望對大家如何正確選取Rthha進行準確的IPOSIM仿真有所幫助。

 

紙上得來終覺淺

，絕知此事要躬行。

 

趕緊打開IPOSIM試試吧。

 

 

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