热仿真的标准确定
目录
一、我司现有功率模块的热测试标准
二、关于结温的定义和功率模块安全运行的条件 三、结温的计算（热阻法）—有瞬态负载的结温计算 四、结论
一、我司现有功率模块的热测试标准
（1）在“变频器热测试规范”（2008年9月5日生效）中，关于预判断的说明，有如下规定。 对于功率模块和IC可按以下原则进行预判定，即：
（变频器最高允许的工作环境温度与当前实测环境温度的差+壳到结的温度梯度（30度）+实测模块壳温或散热器温度）<=器件结温降额的限值
并特别说明，若按照这个原则器件的热应力满足降额要求，则可以直接判定其合格，否则要计算结温，根据结温判断是否满足降额要求。
（2）在“开关电源测试规范”（2008年9月1日生效）中，判定标准是：在测试条件下能连续稳定运行，且符合关键元器件温升标准要求，没有异常温度点，合格， 否则，应根据壳温及器件手册计算结温是否符合降额要求，符合降额要求并有足够的余量则合格，否则，不合格。
关键元器件温升标准（允许误差正负2度）是：
整流模块金属基板、IGBT模块金属基板、主散热器表面测温点 均为40度
当环境温度是40度，则测试温度不能超过 40+40=80度
（3）在“器件应力降额操作指导书”附件1：元器件降额查检表中，关于IGBT和整流桥的填写说明，都规定：
结温降额中，额定结温不大于150度的，降额为额定值减40；150至175度的，降额为额定值减50；175度以上降额为额定值减60度。
以额定结温150度为例，若在变频器最高允许工作环境温度下测试，则根据上述的（1）“变频器热测试规范”，实测模块壳温或者散热器温度不大于 150-40-30=80度
可能因为上述（2）和（3）中的两个“80度”标准，使公司有些设计人员产生误解，把功率模块壳温或者散热器温度的实测值和热仿真值都规定为不超过80度。 我认为，这样确定热仿真的标准不是很合适，理由如下：
第一点：从（3）看出，这个“80度”标准是对于额定结温150度而言，如果器件的额定结温175度，即使按现有的“变频器热测试规范”，实测模块壳温或者散热器温度也是不大于
175-50-30=95度，而不是80度；
第二点：（1）中所说壳到结的温度梯度（30度），是一个比较粗略的估计。实际的值，应该根据功率模块的热损耗和结到壳的热阻进行计算。
否则，虽然测试标准简便、容易掌握，产品可靠性大大提高，但是可能产生“质量过剩”的问题，对成本控制有不利影响。尤其是那些低成本产品，散热方面的成本压力将非常大。 其实，上述热测试规范中也已经说明，在预判断标准不满足的时候，仍然需要通过计算功率模块实际的结温来判断是否合格。
综上所述，关于热仿真的标准，我的建议是：
明确规定热仿真以功率模块的结温作为标准，而不是热测试规范中预判断的“80度”标准。具体标准在下面将详细分析说明。
二、关于结温的定义和功率模块安全运行的条件
Infineon技术信息(Application Note AN2008-01) “IGBT Modules: Definition and use of junction temperature values”中，对几种结温（Tvj、Tvjmax和Tvjop）各自的定义如下:
其中：
RthJC=(Tvj-Tc)/Pdiss 或者
Tvj=Tc+Pdiss*RthJC
Tc: 功率模块的壳温(度)；
Pdiss: 功率模块芯片的热损耗功率(W)
“电力半导体器件结温的计算和测试”（秦贤满，西安电力电子技术研究所，1995），也对结温（等效结温）Tvj、最高允许结温Tjm说明如下：
Infineon技术文档“IGBT模块的损耗、温度和安全运行”（梁知宏，2007）相关的内容是：
从引用的上述三篇文档中，我们可以知道：
第一、功率模块器件资料里一般给出两个最高允许结温（Tvjmax和Tvjop），Tvjop比Tvjmax小。比如，Tvjmax为175度时Tvjop一般为150度，而Tvjmax为150度时Tvjop一般为125度。功率模块实际运行在开关状态下，必须以Tvjop作为最高允许结温值。因为Tvjop已经考虑到开关运行状态下热损耗的瞬态变化以及结温的瞬态变化，一般可以不用再考虑实际结温的瞬态波动，而是通过功率模块的平均热损耗计算芯片的平均结温，来判断是否超过最高允许结温Tvjop（对于某些瞬态热损耗极限值很大、持续时间较长的工况，需要通过瞬态热损耗和瞬态结壳热阻抗Zthjc计算瞬态结温，且不超过最高允许结温值Tvjop，作为判断功率模块瞬态运行是否安全的依据）；
第二、在我司“器件应力降额操作指导书”附件1元器件降额查检表中，关于IGBT和整流桥结温降额的规定：额定结温不大于150度的，降额为额定值减40；150至175度的，降额为额定值减50；175度以上降额为额定值减60度。也就是，Tvjmax为150度时降额为110度，Tvjmax为175度时降额为125度。可见，降额后的结温比第一点中相应的最高允许结温值Tvjop小，已经考虑了一定的设计裕量，可以作为稳态热仿真的结温判断标准；
第三、功率模块的（等效）结温不能直接用热电偶测量得到，而是基于半导体器件的热电关系，通过热敏参数法（又称为标准电学法），测量与温度相关的电压等热敏参数，来间接得到结温；或者通过热阻法，已知结壳热阻RthJC、热损耗功率Pdiss和壳温Tc，利用公式Tvj=Tc+Pdiss*RthJC来计算结温。在通过热仿真手段判断某种热设计方案是否可行时，如果缺少前者的热敏参数法测量数据（相对来说，热测试比热仿真需要更长的时间和成本），可以利用热仿真，得到功率器件的壳温，而结壳热阻和热损耗功率已知，就能够根据后者的计算公式，得到结温仿真值，然后根据上述的第一点（瞬态运行）或者第二点（稳态运行）结温判断标准，作为该设计方案是否满足要求的依据。
三、结温的计算（热阻法）—有瞬态负载的结温计算 一个正弦半波的结温温升：正弦波或其它波形等效为方波后（热损耗的平均值或者有效值），就可按单脉冲负载的热效应叠加原理和利用瞬态热阻值计算结温升。（“电力半导体器件结温的计算和测试”，秦贤满，西安电力电子技术研究所，1995）
但是，采用这种等效方法得到的最大结温，与实际正弦半波的最大结温，两者之间的差值，与输出频率大小有关系，见下面文献的数据。
Infineon技术信息“Infineon datasheet understanding” (Zhou Yizheng):
可见，在上图中，当输出频率是1Hz左右时，两者之间的差值将超过15度。
在其它公司(比如深圳Emerson网络能源)的器件降额规范(老规范V2.4和新规范V3.0)中，以MOSFET为例（其它功率器件类似）：
其中原规范的II区和新规范的极限瞬态区的定义分别是：
也就是，对于极限瞬态区的最高允许结温，以最高结温Tmax为150度举例，原规范是150*95%=142.5度，而新规范是150-5=145度。
由于我司主要产品（变频器）应用的行业特点，经常要在低频下工作，极限瞬态区的最高允许结温如果按照上述的取142.5度或者145度，则设计裕量太小。而如果取125度就比较适宜（Tvjmax=150度对应的Tvjop=125度），已经考虑到低频（1Hz左右）工况下，采用等效方波平均方法得到的最大结温与实际正弦半波的最大结温之间的差值（对于大多数应用情况下，假定不超过20度）。
四、结论
热仿真的标准，对于功率器件的最高允许结温，在稳态长期运行和瞬态极限运行，分别是：
第一、稳态热仿真的结温判断标准是，Tvjmax为150度时降额40度为110度，Tvjmax为175度时降额50度为125度；
第二、瞬态热仿真的结温判断标准都采用Tvjop，也就是，Tvjmax为175度时，判断标准是150度，而Tvjmax为150度时，判断标准是125度。