Thermische Untersuchungen an leistungselektronischen Systemen

Elkuri, Sadek M. GND

Abstract According to the objectives of this work that have been specified earlier, this thesis deals with the competitions of junction temperatures as well as thermal parameters of the power semiconductor modules. It is very necessary to carry out such computation and to describe the heat conduction through the power semiconductors modules. ANSYS tool was used, to satisfy this purpose. This tool can be exploited to compute either steady state or transient temperature distribution for a given semiconductor module based on FEM. The results obtained from the simulation manifest conformity with the experimental results. On whole, these results can extremely be relied on. A program with user interface HP VEE was written in order to simplify and speed up procedures for modeling and simulations the power semiconductor modules. By the means of this program, instructions and details for modeling and simulation were written and stored in a text file which is afterwards called into ANSYS to be run automatically. Due to the long time taken for simulations of power semiconductors modules in ANSYS particularly the dynamic procedures, a design for simplified thermal modules is preferred. As a result of that, a reduction in the simulation time will be observed. Moreover, a drastic saving of the calculation time with the online simulation of dynamic procedures in microcomputers, which have only a limited capacity, can be expected. Once it has been intended to program such simplified models at power semiconductor modules in microcontrollers, the principles of the model simplification were presented in this thesis used the order reduction method. That method was illustrated mathematically and stimulatory based on a simple example. Finally, it is very obvious that a high accuracy can be achieved according to the results obtained.

Ausgehend von der formulierten Zielstellung behandelt diese Arbeit die Berechnungen der Sperrschichttemperaturen von Leistungshalbleitermodulen sowie ihrer thermischen Parameter. Für diese Berechnungen ist die Beschreibung der Wärmeleitungen in den Leistungsmodulen notwendig. Dazu wurde das Simulationsprogramm ANSYS, welches die Temperaturverteilungen auf der Grundlage der FEM berechnet, eingesetzt. Dieses Programm berechnet sowohl die stationären als auch die transienten Temperaturfelder eines gegebenen Leistungsmoduls. Die Simulationsergebnisse werden anhand eines Leistungshalbleitermoduls mit den im Labor gemessenen Ergebnissen verglichen. Die Ergebnisse beider Verfahren haben die gleichen Tendenzen und zeigen eine sehr gute Übereinstimmung. Das heißt, dass die Simulation äußerst verlässliche Ergebnisse liefert. Um die Modellierung und Simulationen von Leistungsmodulen noch effektiver und schneller zu machen, wurde mit der Programmoberfläche HP VEE ein Programm geschrieben, das leichter zu bedienen ist. Die Befehle für die Modellierung und für die Simulationen eines gegebenen Leistungshalbleitermoduls werden mittels dieses Programms in eine Textdatei geschrieben und dort gespeichert. Danach werden sie wieder im Programm ANSYS aufgerufen. Der Rest läuft automatisch ab. Wegen der langen Simulationszeit der Leistungshalbleitermodule besonders der dynamischen Vorgänge im ANSYS-Programm, wurde der Entwurf vereinfachter thermischer Modelle angestrebt. Die Schaffung dieser vereinfachten Modelle führte zu einer merklich reduzierten Simulationszeit. Besonders bei der online-Simulation von dynamischen Vorgängen in Mikrorechnern, die nur über eine begrenzte Rechenkapazität verfügen, ist eine drastische Einsparung von Rechenzeit zu erwarten. Es ist vorgesehen, die vereinfachten Modelle der Leistungshalbleitermodule in Mikrocontrollern zu programmieren. Die Grundlage der Modellvereinfachung wurde in der vorliegenden Dissertation durch eine Methode der Ordnungsreduktion erreicht. Sie wird anhand eines einfachen Beispiels mathematisch und simulativ belegt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine hohe Genauigkeit erzielt werden kann.

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Elkuri, Sadek M.: Thermische Untersuchungen an leistungselektronischen Systemen. 2005.

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