مدلسازی الکتروحرارتی گذرای فشرده ماژول های قدرت

مدلسازی الکتروحرارتی گذرای فشرده ماژول های قدرت – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

یک راهکار مدلسازی الکتروحرارتی گذرای فشرده تأیید شده تجربی برای ماژول های قدرت

چکیده

نردبان های سلول ـ RC غالباً به عنوان شاخص حرارتی فشرده ماژول ها یا ترکیبات قدرت به شمار می آیند. تعداد زیادی از سلول ها برای اعمال تراز دقیق مرتبط با دینامیک ضعیف ذاتی اینگونه از شاخص ها مورد نیاز هستند. با این وجود، تعداد آنها محدود است که علت آن را می توان مشکلات همگرایی در مبحث شبیه سازی قلمداد نمود. شاخص سلول های ـ RC همچنین بر حسب ارتباط با مقادیر فیزیکی سئوال برانگیز می باشد. این محدودیت ها را می توان با استفاده از آنچه تحت عنوان شاخص نفوذ پذیر می باشد مرتفع نمود که جهت ایجاد یک ویژگی مرتبه پایین سیستماتیک، اما در عین حال مدل حرارتی دقیق با هر نوع اسمبلی، شامل کوپلینگ / جفت شدگی حرارتی، مورد استفاده می گیرد. این مقاله سعی در نشان دادن چگونگی ساخت یک مدل نفوذ پذیر و مشخص سازی اعتبار آن از طریق انجام آزمایشات و تصدیق شبیه سازی های جزء محدود می نماید. یک مدل نفوذی فشرده به عنوان یک مدل فضایی حالت به شمار آمده و می توان آن را به آسانی در شبیه ساز مدار بکار گرفت.

کلمات کلیدی: مدل سازی، شبیه سازی، الکتروحرارت

مدلسازی الکتروحرارتی گذرای فشرده ماژول های قدرت

۱- مقدمه

افزایش فزاینده توان سیستم های کاربردی همراه با کاهش کلی در اندازه فیزیکی آنها سبب ایجاد مشکلات مهمی در طراحی آنها شده است. طراحی سیگنال ـ ترکیبی پیچیده، همانند طراحی های مربوط به سیستم های کاربردی هوشمند قدرت مدرن امروزی برای بکارگیری در بخش های مختلف نظیر اتومبیل سازی، ارتباطات موبایل و اویونیک، آنالیز الکتروحرارتی تمام تراشه ای به عنوان یک مؤلفه مهم به شمار می آید [۱] [۲]. مدل سازی حرارتی به عنوان یک فاز مهم در طراحی جریان کانورترها یا مبدل های قدرت محسوب می شود. در چارچوب طراحی بدون استفاده از نمونه اولیه، لازم است تا قابلیت حاصل آوردن یک مدل رفتاری حرارتی متراکم با توجه به ترکیبات سیستمی را داشته باشیم. شبیه سازی های کارآمد الکتروحرارتی سبب ارائه بهینه سازی عملی در مراحل اولیه طراحی می شوند. در انتهای این مسیر طراحی، یک فرآیند اعتبارسنجی مناسب ضروری تلقی می شود، آن هم در زمانی که خواستار استفاده از مدل های الکتروحرارتی پیچیده باشیم.

به هنگامی که یک فناوری پکیجینگ یا علی الخصوص یک پرتوتایپ یا یک نمونه خاص در دسترس باشد، لازم است تا قابلیت حاصل آوردن یک مدل حرارتی فشرده جهت ارزیابی رفتار الکتروحرارتی را داشته باشیم، و متعاقباً نسبت به برآورد دقیق و تحلیل ویژگی های محتمل رویه های قابل ارتقاء اقدام نماییم.

شاخص RC معادل به طور کلی به واسطه سازگاری آن با شبیه سازهای مشابه با ـ SPIC بکار گرفته می شود. با توجه به آنکه این متد یک سری از کلیات همانند پیچیدگی ساخت لایه های دو بعدی را ندارد، خود سبب بروز مشکلات متعدد در زمینه همگرایی شبیه سازی الکتروحرارتی می شود. طراحی سیستم های یکپارچه قدرت نیازمند تحت پوشش قرار دادن مراحل مختلف همانند طراحی کاربردی، مسیریابی ـ قرارگیری مناسب و اعتبارسنجی، همراه با شبیه سازی های مولتی فیزیکی دقیق سیستم می باشد. شبیه سازی های عددی نیز به عنوان یک روش مطلوب برای یک تحلیل الکتروحرارتی مدنظر هستند. مدل های جزء محدود و مدل های تفاضل محدود نیز بر مبنای گسسته سازی عددی معادله حرارت به شمار می آیند. با این وجود، چنین روش هایی گرانقیمت بوده و نیازمند تلاش های زیادی هستند مخصوصاً به هنگامی که چنین موردی به عنوان یک مسئله سه بعدی در نظر گرفته شود [۳]. بنابراین، توسعه یک روش ساده و دقیق الکتروحرارتی به عنوان مدل های فضای حالت ورودی ـ خروجی یک ویژگی مناسب می باشد.

پدیده های فیزیکی غیردورانی نظیر اثر پوستی، جریان های گردابی در هسته های مغناطیسی یا نفوذ حرارتی، در بردارنده یک قانون ـ توان وابسته به زمان t^-n (n<1) می باشند. توابع انتقال چنین مسایلی به صورت غیرگویا بوده و منجر به مدل فضای ـ حالت بعد نامحدود، که قابل قیاس با شبیه سازی ها نیستند، می شود. مفهوم شاخص نفوذی همانگونه که در مرجع [۴] در یک چارچوب کلی ارائه شده است برای اهداف مدل سازی در رشته مهندسی برق ارائه شده است، مخصوصاً به هنگامی که برخی از موارد دینامیک غیرگویا در این مبحث شامل شده باشند. چنین رویکردی به عنوان یک ویژگی متعارف و کارآمد در زمینه درک مشکل فضای حالت در مورد تابع انتقال غیرگویا به شمار می آید. معادله حرارتی منجر به ایجاد چنین موقعیتی می شود. ویژگی خوانده شده تحت عنوان “رویکرد نفوذی” در ابتدا سبب ارائه راهکاری جهت ایجاد یک مدل حرارتی شده و سبب حاصل آوردن مدل های متراکم بیشتری خواهد شد آن هم با توجه به آنکه ترتیب سیستم کاملاً با توجه به یک دقت معادل می بایست در نظر گرفته شود. به علاوه جفت شدگی های چند حرارتی را می بایست بدون پیچیدگی اضافه در نظر گرفت.

این مقاله ویژگی های مربوط به ایجاد یک مدل نفوذی برای بخش حرارتی یک پکیج ماژولی را ارائه می نماید.

مقاله جاری در تعامل با کاربرد مدل های نفوذی به منظور مدل سازی حرارتی گذرای کارای ماژول قدرت چند تراشه ای می باشد که تأثیرات کوپلینگ یا جفت شدگی حرارتی را در نظر می گیرد. چنین موردی مدل های الکتروحرارتی ابزاره های قدرت را به عنوان مدل های پیشنهادی که در تعامل با مسایل حرارتی هستند در نظر می گیرد. ویژگی قابل توجه این رویکرد ایجاد یک مدل الکتروحرارتی متراکم به عنوان یک مدل فضای حالت ورودی ـ خروجی می باشد که قابلیت شبیه سازی دقیق و آسان در مقایسه با رویکردهای FEM و FD را خواهد داشت.

در ابتدا، رویکرد نفوذی همراه با مدل حرارتی مرتبط برای یک پکیج یا بسته DBC با قابلیت اتصال به IGBT (600V/50A) به تفصیل ارائه می گردد (شکل ۱). مدل حرارتی فضای حالت حاصله در یک شبیه ساز SABER مورد بررسی قرار گرفته که در آن قابلیت ارائه پاسخ های حرارتی گذرا به وجود می آید. گرمترین نقطه در قالب آزمایشی حد نهایی یا اکستریمیته کانال می باشد. متعاقباً مدل مربوطه با مدل برقی IGBT کوپل می گردد. یک شبیه ساز حرارتی FE سه بعدی ماژول قدرت نیز با SYNOPSIS-ISE TCAD برای مقایسات متعاقب اعمال می شود. روش های آزمایشی برای برآوردهای حرارتی نظیر ترموگرافی مادون قرمز و میکروسکوپ حرارتی کاملاً گرانقیمت می باشند و همیشه برای یک بررسی صنعتی یا علمی در دسترس نمی باشند. دیگر روش های مشخص سازی ویژگی های حرارتی [۵] بر مبنای برآوردهای پارامترهای حساس به حرارت نظیر جریان ـ اشباع یا مقاومت دینامیکی در داخل یک ابزاره قدرت می باشد. در این مقاله، برآورد دمای کانال IGBT از طریق اندازه گیری یک جریان اشباع سطح پایین IGBT در داخل قالب پس از فاز خودحرارتی مشخص شده است.

مدلسازی الکتروحرارتی گذرای فشرده ماژول های قدرت

۲- درک نفوذ حرارتی

درک پدیده نفوذ یک سیستم دینامیکی حرارتی به صورت شاخص فضای حالت ورودی ـ خروجی ذیل امکان پذیر خواهد بود.

ورودی های این سیستم منابع قدرت حرارتی P_th و خروجی آن پاسخ حرارتی گذرای T در یک نقطه می باشد که می بایست آن را در نظر داشت.

به طور کلی، پارامتر پیوند یک ابزاره یا گرمترین دما در سیستم در نظر می باشد. توابع  به عنوان متغیرهای حالت سیستم هستند. توزیع  بر حسب دینامیک سیستمی که می بایست مدلسازی شود انتخاب می گردد. دقت این مدل خود منوط به تعداد و انتخاب  است. توزیع  نیز به عنوان سمبل یا علامت نفوذ در نظر گرفته می شود. شناسایی مدل فضای حالت حرارتی منوط به تعیین هر دو پارامتر  و  است. بر ا ین مبنا دو رویکرد جهت شناسایی h ـ پارامتر وجود دارد [۴] [۷]. اولین مورد شناسایی h با استفاده از تابع انتقال H(p) سیستم دینامیکی می باشد. این روش بسیار پیچیده است و در بردارنده خطاهای قابل توجه مخصوصاً در ارتباط با مسایل حرارتی سه بعدی می باشد. با این وجود، فرآیند شناسایی مرتبط با توصیف هندسی سیستم است. این بدان معنا می باشد که بهینه سازی هندسی محتمل می باشد که می بایست در این زمینه قدردان مدل حرارتی بود که به عنوان یک ویژگی معتبر تلقی می شود. روش دیگر جهت شناسایی h ـ پارامتر بر مبنای یک محرک حرارتی خاص سیستمی به منظور مدل سازی یک رویه شناسایی بهینه می باشد. این محرک ممکن است در مورد یک پرتوتایپ یا شبیه سازی ظریف در مورد طراحی فناوری به صورت تجربی حاصل شود (اجزای محدود یا تفاضل های محدود در شبیه سازی ها).

۲ـ۱٫ شناسایی شاخص نفوذ

این شناسایی خود حاصل آمده از محرک حرارتی سیستمی می باشد. به طور مثال یک پاسخ مرحله حرارتی را در نظر بگیرید.

۲ـ۲٫ مدل حرارتی نفوذی یک ماژول خاص

در یک ماژول خاص ارائه شده در شکل ۱، ایجاد یک مدل حرارتی به منظور دنبال نمودن گرم ترین نقطه در قالب IGBT در نظر گرفته شده است، یعنی حالت حدی کانال سلول های IGBT. به منظور ایجاد مدل متراکم حرارتی قالب IGBT، که در آن هر دو مورد اندازه گیری و شبیه سازی FD به صورت آزمایشی اعمال شده اند.

مدلسازی الکتروحرارتی گذرای فشرده ماژول های قدرت

۳- مدل حرارتی فضای حالت چند ورودی / چند خروجی

هدف ایجاد یک مدل حرارتی گذرای تحلیلی سریع برای یک ماژول قدرت می باشد که در آن اثرات برهمکنش حرارتی بین قالب ها در نظر گرفته شده است. با توجه به آنکه این آزمایش با استفاده از ماژول قدرت تجاری بسیار پیچیده می باشد، در این مرحله یک مقیاس آزمایشگاهی بر مبنای شکل ۲ و ۳ در نظر گرفته شده است. ابزاره های خاص نقش دستگاه های قدرت و حسگرهای دمایی را ایفا می نمایند. آنها بر روی سطح سوبسترا یا زیرلایه لحیم کاری شده و پایه ها یا ترمینال های آنها نیز اتصال مفتولی شده اند. راهکار مدل سازی به صورت مستقل از فرآیند مدل سازی سیستمی دنبال شده است، بنابراین آزمایش خاص مقیاس آزمایشگاهی هیچ گونه محدودیتی را در ارتباط با کلیت این روش ندارد. این فرآیند صرفاً اقدام به ساده سازی ویژگی های آزمایشی و اعتبارسنجی مدل حرارتی می نماید.

مدل حرارتی دو کوپلینگ حرارتی (دو قالب) را در نظر می گیرد. ورودی این مدل تلفات قدرت هر دو قالب (Pt₁(t)، Pt₂(t)) می باشد. خروجی این مدل نیز دمای نظارت شده در هر دو قالب (T_max1، T_max2) می باشد. شبیه سازی FE حرارتی سه بعدی ماژول TTC برای شناسایی مدل حرارتی نفوذی انجام می شود (شکل ۶).

مدلسازی الکتروحرارتی گذرای فشرده ماژول های قدرت

۴- نتیجه گیری

رویکرد شاخص نفوذی ظاهراً از انعطاف پذیری و کارایی مناسبی برای مدل سازی و شبیه سازی  دینامیک  پیچیده  کوپلینگ های الکترو حرارتی در حالت سه  بعدی  برخوردار  می باشد. بنابراین ویژگی های حاصله را می توان به صورت مضاعف در نظر گرفت. یک راهکار سیستماتیک قابلیت ارائه رهنمودهای کافی در خصوص مدل فضای حالت متراکم را ایجاد می نماید. یک راهکار شناسایی کارآمد پارامتر نیز سبب تضمین اعتبار مناسب این مدل صرفاً با یک پاسخ حرارتی سیستمی خواهد شد. مدل حرارتی فضای حالت سازگار با هر نوع شبیه ساز مدار می باشد. مرتبه پایینتر در مقایسه با رویکردهای کلاسیک تضمین کننده یک رفتار کامپیوتری بهتر با  توجه به  مسئله  همگرایی  یا  کارایی مرحله زمانی می باشد. این آزمایشات از نقطه نظر تجربی نیز بررسی شده و مورد اعتبارسنجی قرار گرفته اند. این مطالعه با توجه به همبستگی بین پارامترهای هندسی یک سیستم جامع قدرت و پارامترهای حرارتی نفوذی ارائه شده است تا از این طریق قابلیت ایجاد مدل حرارتی به منظور حاصل آوردن بهینه سازی کلی در سیستم قدرت، به طور مثال مدار مجتمع، به وجود آید.