Method for the design of a thermal model of IGBT power modules

During the design of an electronic power system, many collateral effects must be taken in consideration, which limit the usability of the system. One of the most important limitations is the maximum deliverable power threshold, which is mainly limited by the temperature of the components inside the system. Commonly the components used inside a power system are oversized, meaning that the maximum deliverable power from the system is lower than the maximum that the components themselves can bear. But, because the temperatures of these components are unknown, some default thresholds are digitally set in the power system to avoid overtemperature failures. Knowing the real-time temperatures of the components inside a power system would help maximize its deliverable output power, while enhancing the robustness against thermal failures. In this research a custom-made thermal model of a six-pack IGBT module (Semikron SEMiX156GD12T4p) used in a multipurpose drive (Gefran ADP200) has been designed, but the same method can be applied for the thermal identification of the power semiconductors inside any other power system. Two great advantages of this method are its simplicity, which makes it also cost-efficient, and the fact that its result will be an algorithm that can be implemented in the power system itself without the use of additional components or sensors to keep trace of the temperatures.

Nella progettazione di un sistema elettronico di potenza, molti effetti collaterali devono essere tenuti in considerazione, i quali limitano l’utilizzo del sistema stesso. Una delle limitazioni più importanti è la massima potenza erogabile, che è principalmente limitata dalla temperatura dei componenti interni al sistema. Comunemente i componenti usati in un sistema di potenza sono sovradimensionati, e quindi la massima potenza erogabile dal sistema è più bassa della massima potenza che i componenti stessi possono sopportare. Ma, poiché le temperature di questi stessi componenti sono sconosciute, dei limiti di default sono digitalmente impostati nel sistema di potenza per evitare guasti dovuti ad alte temperature. Conoscere in real-time le temperature dei componenti nel sistema di potenza permetterebbe di massimizzare la potenza erogabile, migliorando anche la robustezza contro guasti dovuti ad alte temperature. In questa ricerca è stato progettato un modello termico customizzato per un modulo IGBT six-pack (Semikron SEMiX156GD12T4p) usato in un drive multifunzione (Gefran ADP200), ma lo stesso metodo può essere utilizzato per l’identificazione termica dei semiconduttori di potenza in qualunque sistema di potenza. Due grandi vantaggi di questo metodo sono la sua semplicità, che lo rende anche molto economico, e il fatto che il suo risultato sarà un algoritmo che può essere implementato nel sistema di potenza stesso senza l’utilizzo di componenti o sensori aggiuntivi per tenere traccia delle temperature.