A physical RC network model for electro-thermal analysis of a multichip SiC power module

This paper is concerned with the thermal models which can physically reflect the heat-flow paths in a lightweight three-phase half bridge, two-level SiC power module with 6 MOSFETs and can be used for coupled electro-thermal simulation. The finite element (FE) model was first evaluated and calibrated to provide the raw data for establishing the physical RC network model. It was experimentally verified that the cooling condition of the module mounted on a water cooler can be satisfactorily described by assuming the water cooler as a heat exchange boundary in the FE model. The compact RC network consisting of 115 R and C parameters to predict the transient junction temperatures of the 6 MOSFETS was constructed, where cross-heating effects between the MOSFETs are represented with lateral thermal resistors. A three-step curve fitting method was especially developed to overcome the challenge for extracting the R and C values of the RC network from the selected FE simulation results. The established compact RC network model can physically be correlated with the structure and heat-flow paths in the power module, and was evaluated using the FE simulation results from the power module under realistic switching conditions. It was also integrated into the LTspice model to perform the coupled electro-thermal simulation to predict the power losses and junction temperatures of the 6 MOSFETs under switching frequencies from 5 kHz to 100 kHz which demonstrate the good electro-thermal performance of the designed power module

Contributions to the design of power modules for electric and hybrid vehicles: trends, design aspects and simulation techniques

314 p.En la última década, la protección del medio ambiente y el uso alternativo de energías renovables están tomando mayor relevancia tanto en el ámbito social y político, como científico. El sector del transporte es uno de los principales causantes de los gases de efecto invernadero y la polución existente, contribuyendo con hasta el 27 % de las emisiones a nivel global. En este contexto desfavorable, la electrificación de los vehículos de carretera se convierte en un factor crucial. Para ello, la transición de la actual flota de vehículos de carretera debe ser progresiva forzando la investigación y desarrollo de nuevos conceptos a la hora de producir vehículos eléctricos (EV) y vehículos eléctricos híbridos (HEV) más eficientes, fiables, seguros y de menor coste. En consecuencia, para el desarrollo y mejora de los convertidores de potencia de los HEV/EV, este trabajo abarca los siguientes aspectos tecnológicos: - Arquitecturas de la etapa de conversión de potencia. Las principales topologías que pueden ser implementadas en el tren de potencia para HEV/EV son descritas y analizadas, teniendo en cuenta las alternativas que mejor se adaptan a los requisitos técnicos que demandan este tipo de aplicaciones. De dicha exposición se identifican los elementos constituyentes fundamentales de los convertidores de potencia que forman parte del tren de tracción para automoción.- Nuevos dispositivos semiconductores de potencia. Los nuevos objetivos y retos tecnológicos solo pueden lograrse mediante el uso de nuevos materiales. Los semiconductores Wide bandgap (WBG), especialmente los dispositivos electrónicos de potencia basados en nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC), son las alternativas más prometedoras al silicio (Si) debido a las mejores prestaciones que poseen dichos materiales, lo que permite mejorar la conductividad térmica, aumentar las frecuencias de conmutación y reducir las pérdidas.- Análisis de técnicas de rutado, conexionado y ensamblado de módulos de potencia. Los módulos de potencia fabricados con dies en lugar de dispositivos discretos son la opción preferida por los fabricantes para lograr las especificaciones indicadas por la industria de la automoción. Teniendo en cuenta los estrictos requisitos de eficiencia, fiabilidad y coste es necesario revisar y plantear nuevos layouts de las etapas de conversión de potencia, así como esquemas y técnicas de paralelización de los circuitos, centrándose en las tecnologías disponibles.Teniendo en cuenta dichos aspectos, la presente investigación evalúa las alternativas de semiconductores de potencia que pueden ser implementadas en aplicaciones HEV/EV, así como su conexionado para la obtención de las densidades de potencia requeridas, centrándose en la técnica de paralelización de semiconductores. Debido a la falta de información tanto científica como comercial e industrial sobre dicha técnica, una de las principales contribuciones del presente trabajo ha sido la propuesta y verificación de una serie de criterios de diseño para el diseño de módulos de potencia. Finalmente, los resultados que se han extraído de los circuitos de potencia propuestos demuestran la utilidad de dichos criterios de diseño, obteniendo circuitos con bajas impedancias parásitas y equilibrados eléctrica y térmicamente. A nivel industrial, el conocimiento expuesto en la presente tesis permite reducir los tiempos de diseño a la hora de obtener prototipos de ciertas garantías, permitiendo comenzar la fase de prototipado habiéndose realizado comprobaciones eléctricas y térmicas