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基于傅里叶级数的功率器件热模型研究 ,陈 丽,唐圣学 （电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，河北工业大学，天津 300130） 摘 要：针对功率器件热建模速度与精度相互制约问题，研究了一种基于傅里叶级数的功率器件热建模仿真方法。该方法采用傅里叶级数求解热传导方程以获取器件内部温度分布函数，求解过程建模简单，且容易与电路模型共同建立热电仿真模型。采用MATLAB/Simulink平台，建立了一维热电仿真模型。仿真结果表明：该方法仿真同时具备速度快、精度高的优点。 关键词：热模型；傅里叶级数；IGBT；封装 中图分类号：TN305 文献标识码：A 文章编号：1000-7180 (2008) xx-xxxx-x Study of Power Devices Thermal Model Based on Fourier Series WANG Jia-wei , CHEN Li, TANG Sheng-xue （Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China） Abstract：Aiming to the restriction between speed and accuracy of power device thermal modeling, a power device thermal modeling method based on Fourier series is studied. The method uses Fourier series to solve heat conduction equations to obtain the temperature distribution of the device, which process is simple and easy to build the thermoelectric model with circuit model. Based on the MATLAB/Simulink platform, a one-dimensional thermoelectric simulation model is established. Simulation results show that this method has the advantages of both high speed and high accuracy. Key words：thermal models ；Fourier series ；IGBT；packaging 电力电子等功率器件被广泛应用于电源、电力系统、电机驱动等行业领域，保证其安全可靠运行具有重要意义。现有研究表明，功率器件可靠性主要依赖于器件结温，器件结温每上升10，其失效率增加1倍。功率器件工作时会产生热量，热量经过封装材料向外传递，因模块内部各种材料之间热膨胀系数不同，材料间会产生不同的机械应力，导致器件失效。通过建模仿真，有助于精确掌握器件内部热分布，有利于功率器件的封装设计，提高功率器件的使用可靠性。 目前，功率器件热建模仿真方法主要有两种：基于物理模型的方法和基于Ｒ-C热网络模型的方法。基于物理模型方法，如有限元法（FEM），能够建立功率模块复杂的封装结构模型[1][2]，并能获取精确的结果。但是建模复杂，仿真周期长，难以 用于功率变换系统级仿真，难与电路仿真软件结合使用。基于Ｒ-Ｃ热网络模型方法虽得到了广泛的应用[3][4]，能方便用于电路仿真软件之中，但是不能获取器件内部各点温度分布，也不能进行多热源分析。另外，热分析之前，必须采用基于物理模型的有限元法或其它参数提取方法提取Ｒ-Ｃ热网络参数，每次封装结构的改变都需重新提取参数 [5]。本文基于器件的物理结构，以IGBT模块为例，研究了一种功率器件的建模仿真方法。方法利用傅里叶级数求解热传导方程，获取功率模块内部的热分布，具有热分布求解过程简单、易于与电路模型结合仿真的优点。采用MATLAB/Simulink平台，建立了IGBT一维热电仿真模型。该方法能够获取器件内部各点暂态热响应，能适用不同封装结构仿真，且仿真速度快，精度高。本文详细论述了基于傅里叶级数的热传导问题求解过程及建模方法，以一维热模型为例，讨论了热量在多个封装材料层之间过渡问题。最后，进行了仿真验证，并与有限元模型进行了比较。 2功率模块的热传导 2.1 IGBT模块的结构 IGBT 模块主要包括：IG