電動車低速過載工況下IGBT動態(tài)溫升分析

　　1 引言

　　隨著電動汽車驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展與成熟以及市場對電動汽車驅(qū)動性能和可靠性需求的提高，電動車驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展將朝著：高功率密度，高可靠性，低成本的方向發(fā)展。然而更高的功率密度與更低的成本使系統(tǒng)設(shè)計的余量必然減少，如果仿真計算不準(zhǔn)確或僅憑經(jīng)驗設(shè)計，很容易出現(xiàn)電機驅(qū)動器的IGBT等功率器件的過溫或關(guān)斷超出安全工作區(qū)RBSOA（Reverse Biased Safe Operating Area）損壞。

　　當(dāng)系統(tǒng)處于短時大電流過載時，IGBT模塊的芯片結(jié)溫度會動態(tài)攀升。如果沒有足夠的設(shè)計余量或不能精確控制輸出過載時間與過載電流倍數(shù)，IGBT結(jié)溫將有可能升高超過安全工作區(qū)而導(dǎo)致失效。針對這些問題，本文分析在不同輸出頻率的條件下，過載輸出與IGBT結(jié)溫的關(guān)系，以幫助硬件設(shè)計工程師在研發(fā)時正確地限定過載峰值。

　　2 IGBT模塊與散熱器的動態(tài)結(jié)溫和動態(tài)溫升

　　無論是IGBT模塊的底殼基板還是散熱器上都同時存在熱阻和熱容兩個特性。熱阻是反映導(dǎo)熱介質(zhì)阻礙熱量傳導(dǎo)能力的綜合參量。根據(jù)熱阻Rth定義，為熱流通路上的溫差ΔT與總損耗功率之比

　　由于熱阻和熱容特性的同時作用，產(chǎn)生了動態(tài)熱阻的特性。一般有兩種方式建模來表示動態(tài)熱阻特性 – T型模型和π型模型。如圖1所示。

　　（a）T型連續(xù)網(wǎng)絡(luò)模型回路（Cauer model）（b）π型局部網(wǎng)絡(luò)模型回路（Foster model）

　　圖 1 兩種模型示意圖

　　如圖1（a），T型模型的結(jié)構(gòu)比較真實的反應(yīng)出真實的熱阻熱容物理結(jié)構(gòu)。如果散熱系統(tǒng)中每一層的材料的特性參數(shù)都是已知的時，可以通過理論計算公式來建立這種模型的結(jié)果。但是，在熱傳播中很難確定熱傳播在每一層中的分布，因此實際建模時一般不使用T型回路。

　　圖1（b）中的π型模型雖然在結(jié)構(gòu)上不具備具體的物理意義，但是該模型的數(shù)學(xué)模型比較容易從實際測量標(biāo)定的時間-熱阻曲線上擬合提取出來，所以一般會用π型模型來給定動態(tài)熱阻曲線的分式因數(shù)。英飛凌IGBT模塊的數(shù)據(jù)手冊上就分別給出了IGBT芯片與反并聯(lián)二極管芯片的π型回路各項分式因數(shù)與曲線，如圖2所示為英飛凌FF600R12ME4模塊的動態(tài)熱阻曲線。

　?。╝）IGBT動態(tài)熱阻曲線（b）反并聯(lián)二極管動態(tài)熱阻曲線

　　圖 2 英飛凌IGBT模塊動態(tài)熱阻曲線

　　圖2中給出的

　　動態(tài)熱阻曲線可表達(dá)為：

　　如果在動態(tài)溫升過程中，IGBT模塊的損耗P（t）是已知的，IGBT模塊底殼溫度是已知的，則IGBT及二極管芯片的結(jié)溫可由下公式得出：

　　公式（4）中P（t）限定為單次方波脈沖的功率，IGBT模塊在實際應(yīng)用中一般為連續(xù)脈沖，而且在正弦調(diào)制中為功率變化的連續(xù)脈沖，計算公式比較復(fù)雜，可從IEC60747-6標(biāo)準(zhǔn)中查得［1］。

　　此外還需要考慮到散熱器以及模塊與散熱器接觸面的瞬態(tài)熱阻，同時IGBT模塊外殼和端子也有少量的對流熱傳導(dǎo)，但是對流熱傳導(dǎo)的影響相對底殼的熱傳導(dǎo)非常小可忽略。由此整個散熱系統(tǒng)合并的串聯(lián)π型網(wǎng)絡(luò)模型可由圖（3）表示。

　　圖3 合并π型熱阻網(wǎng)絡(luò)模型

　　一般散熱器廠商會給出一階的熱平衡時間即3倍的值，用一階分式擬合可表示為公式：

　　由此得出考慮散熱器熱阻的IGBT結(jié)溫計算公式為：

　　對于散熱器熱平衡時間為一般幾十秒上百秒的，計算低頻輸出時可不用考慮散熱器的溫升，計算時使用公式（4）即可。如果是系統(tǒng)熱平衡時間是幾秒級的，需要考慮散熱器溫升時可使用公式（6）計算。如需更精確的包括接觸面導(dǎo)熱硅脂的多階熱阻模型，則需要用實驗標(biāo)定曲線來提取模型。具體的實驗提取方法可參看文獻(xiàn)2，本文將不再詳述。

　　IGBT模塊動態(tài)熱阻的特性導(dǎo)致驅(qū)動器中三相逆變橋中的IGBT在不同輸出頻率下，所對應(yīng)的結(jié)溫波動幅度也不同。在一個半波周期內(nèi)，一個半橋中其中一個橋臂的IGBT處于連續(xù)帶載工作，在IGBT開關(guān)頻率不變下，輸出頻率越低，一個橋臂的連續(xù)帶載時間越長，一個半波內(nèi)總損耗能量越大。同時由于IGBT模塊動態(tài)熱阻在一般在1秒內(nèi)迅速上升，因此輸出頻率越低，IGBT的結(jié)溫波動就越大。

　　同一型號IGBT模塊在同樣為Vdc=600V，fsw=10KHz的條件下，分別輸出1Hz、5Hz、20Hz、50Hz四種頻率的有效電流為200A的正弦波，我們用IPOSIM仿真工具可得到這四個頻率下IGBT結(jié)溫波動曲線，如圖4所示：（IPOSIM對IGBT損耗與結(jié)溫的仿真原理詳見參考文獻(xiàn)3）

　　圖4 不同輸出頻率下一個橋臂的IGBT結(jié)溫波動對比

　　在圖4的四個仿真結(jié)果上看，四個工況下IGBT損耗平均功率都是一直為150W。在（a）中，輸出1Hz下IGBT結(jié)溫最高超過了90°C。而在（d）中，輸出頻率50Hz結(jié)溫最高不到76°C。其原因就是由于單次換向周期時間長，導(dǎo)致結(jié)溫波動幅度大。

3. IGBT結(jié)溫動態(tài)溫升計算在實際應(yīng)用中的意義

　　從上文的分析可看出，在設(shè)計IGBT模塊散熱系統(tǒng)時，不能只考慮IGBT的平均損耗功率，還必須考慮在低頻率輸出下的結(jié)溫波動。在標(biāo)定系統(tǒng)各個轉(zhuǎn)速下的最大輸出電流時，必須設(shè)定相應(yīng)的降額率。同時堵轉(zhuǎn)實驗也可近似考慮為接近0Hz的輸出頻率條件，標(biāo)定最大堵轉(zhuǎn)時間時，也需要考慮IGBT結(jié)溫瞬態(tài)上升的安全范圍。

　　在實際應(yīng)用中，電動汽車的滿載起步或低速爬坡工況是有必要對結(jié)溫動態(tài)溫升進行計算仿真的。下面我們以純電動巴士的實例來分析其過載與起步能力。例如系統(tǒng)規(guī)格如下：

　　-驅(qū)動器額定功率：，

　　-驅(qū)動額定輸出電流：，

　　-60秒內(nèi)峰值輸出電流：

　　-電池電壓：，

　　-開關(guān)頻率：，

　　-輸出頻率：，

　　-電機極對數(shù)：n = 2，

　　-電機額定轉(zhuǎn)速：=3000 r/min，

　　-齒輪箱減速比：i = 5:1，

　　-輪胎直徑0.87m，周長L=2.75m。

　　根據(jù)公式：

　　以及：

　　可推算出輸出頻率與車速的關(guān)系大約為 1Hz=》1km/h，與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系為1Hz=》30r/min，電機額定轉(zhuǎn)速時對應(yīng)頻率為100Hz。

　　我們可使用Infineon的IPOSIM在線版仿真工具的負(fù)載循環(huán)仿真計算的功能，對該車輛在起步，重載爬坡，高速過載，勻速輕載等幾個工況進行仿真計算結(jié)溫。

　　我們設(shè)定電機驅(qū)動器采用水冷，進口水溫60°C，假設(shè)三相橋每一個橋臂的散熱都是均衡的，散熱器針對一個橋臂的穩(wěn)態(tài)熱阻為0.072K/W，散熱器熱平衡時間τ=14s。驅(qū)動器中的IGBT模塊選用英飛凌EconoDUAL?3系列的FF600R12ME4，CE阻斷電壓1200V，模塊額定電流600A，芯片采用第四代具有場終止溝槽柵技術(shù)，最高工作結(jié)溫150°C。

　　使用IPOSIM工具仿真，步驟及結(jié)果如下：

　　1） 穩(wěn)態(tài)下fout=100Hz，Iout=150A，持續(xù)工作下IGBT結(jié)溫：Tvj_max = 109°C

　　2） 穩(wěn)態(tài)下fout=5Hz，Iout=150A，持續(xù)工作下IGBT結(jié)溫：Tvj _max = 117°C

　　3） 穩(wěn)態(tài)下fout=1Hz（近似堵轉(zhuǎn)工況），Iout=150A，持續(xù)工作下IGBT結(jié)溫：Tvj _max = 123°C

　　4） 模擬功率循環(huán)：fout=100Hz，Iout=150A穩(wěn)態(tài)中出現(xiàn)60秒Iout=250A過載：

　　結(jié)溫波動曲線如圖5，最高結(jié)溫會達(dá)到142°C，在安全工作區(qū)以內(nèi)

　　圖5 100Hz下過載功率循環(huán)結(jié)溫曲線

　　5） 模擬功率循環(huán)：fout=5Hz，Iout=150A穩(wěn)態(tài)中出現(xiàn)60秒Iout=250A過載。

　　結(jié)溫波動曲線如圖6，最高結(jié)溫會到152°C，這將超過IGBT安全工作區(qū)。

　　圖6 5Hz下過載功率循環(huán)結(jié)溫曲線

　　對比仿真結(jié)果，在低頻穩(wěn)態(tài)運行下和過載功率循環(huán)運行下IGBT結(jié)溫均高于高頻運行的工況。因此在低頻時尤其是堵轉(zhuǎn)工況下，需要限制電機控制器的過載電流輸出，峰值電流值需要相應(yīng)降額。否則在應(yīng)用中容易出現(xiàn)結(jié)溫超出安全工作區(qū)導(dǎo)致IGBT模塊的損壞。

　　4. 結(jié)論

　　IGBT模塊和散熱器的動態(tài)熱阻特性允許模塊短時間過載工作。合理的利用動態(tài)熱阻特性可使電機功率輸出性能提高，但同時必須在設(shè)計時精確的進行仿真計算，動態(tài)的控制不同輸出頻率下的電流限值。Infineon公司所提供的IPOSIM仿真工具，具有對穩(wěn)態(tài)下和動態(tài)循環(huán)下的結(jié)溫仿真功能，使設(shè)計者在系統(tǒng)設(shè)定和模塊選型時能更加準(zhǔn)確和安全。

　　參考文獻(xiàn)

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　　［4］ Andreas Volke， Michael Hornkamp： IGBT Modules – Technologies， Driver and Applications ［M］。 ISBN： 978-3-00-040134-3.

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