如何分析電動(dòng)車(chē)低速過(guò)載工況下的IGBT動(dòng)態(tài)溫升？

電動(dòng)汽車(chē)電機在低轉速大電流過(guò)載輸出時(shí)，驅動(dòng)器IGBT模塊結溫會(huì )迅速攀升并很容易超出安全工作區從而導致失效。如果在系統設計階段，利用散熱回路的瞬態(tài)熱阻特性，并通過(guò)仿真計算精確控制低速下的電流輸出，將能夠更好地提高電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)系統的可靠性和功率密度。本文首先介紹了IGBT模塊和散熱器的瞬態(tài)熱阻特性；然后分析了在電動(dòng)車(chē)電機驅動(dòng)器在低速與常速下電流過(guò)載輸出對IGBT模塊結溫溫升的影響；最后介紹了如何用英飛凌IPOSIM仿真工具對過(guò)載輸出時(shí)IGBT模塊結溫進(jìn)行仿真，以及不同工況下IGBT瞬時(shí)結溫的仿真結果。本文可對電動(dòng)車(chē)電機驅動(dòng)器設計中IGBT輸出限值的動(dòng)態(tài)選取提供參考依據。

• 引言

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)技術(shù)的發(fā)展與成熟以及市場(chǎng)對電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)性能和可靠性需求的提高，電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)系統的發(fā)展將朝著(zhù)：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設計的余量必然減少，如果仿真計算不準確或僅憑經(jīng)驗設計，很容易出現電機驅動(dòng)器的IGBT等功率器件的過(guò)溫或關(guān)斷超出安全工作區RBSOA（Reverse Biased Safe Operating Area）損壞。

當系統處于短時(shí)大電流過(guò)載時(shí)，IGBT模塊的芯片結溫度會(huì )動(dòng)態(tài)攀升。如果沒(méi)有足夠的設計余量或不能精確控制輸出過(guò)載時(shí)間與過(guò)載電流倍數，IGBT結溫將有可能升高超過(guò)安全工作區而導致失效。針對這些問(wèn)題，本文分析在不同輸出頻率的條件下，過(guò)載輸出與IGBT結溫的關(guān)系，以幫助硬件設計工程師在研發(fā)時(shí)正確地限定過(guò)載峰值。

• IGBT模塊與散熱器的動(dòng)態(tài)結溫和動(dòng)態(tài)溫升

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

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

如圖1(a)，T型模型的結構比較真實(shí)的反應出真實(shí)的熱阻熱容物理結構。如果散熱系統中每一層的材料的特性參數都是已知的時(shí)，可以通過(guò)理論計算公式來(lái)建立這種模型的結果。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(shí)際建模時(shí)一般不使用T型回路。

圖1(b)中的π型模型雖然在結構上不具備具體的物理意義，但是該模型的數學(xué)模型比較容易從實(shí)際測量標定的時(shí)間-熱阻曲線(xiàn)上擬合提取出來(lái)，所以一般會(huì )用π型模型來(lái)給定動(dòng)態(tài)熱阻曲線(xiàn)的分式因數。英飛凌IGBT模塊的數據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與曲線(xiàn)，如圖2所示為英飛凌FF600R12ME4模塊的動(dòng)態(tài)熱阻曲線(xiàn)。

動(dòng)態(tài)熱阻曲線(xiàn)可表達為：

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

公式(4)中P(t)限定為單次方波脈沖的功率，IGBT模塊在實(shí)際應用中一般為連續脈沖，而且在正弦調制中為功率變化的連續脈沖，計算公式比較復雜，可從IEC60747-6標準中查得。

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(shí)IGBT模塊外殼和端子也有少量的對流熱傳導，但是對流熱傳導的影響相對底殼的熱傳導非常小可忽略。由此整個(gè)散熱系統合并的串聯(lián)π型網(wǎng)絡(luò )模型可由圖(3)表示。

一般散熱器廠(chǎng)商會(huì )給出一階的熱平衡時(shí)間即3倍的τ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結溫計算公式為：

對于散熱器熱平衡時(shí)間為一般幾十秒上百秒的，計算低頻輸出時(shí)可不用考慮散熱器的溫升，計算時(shí)使用公式（4）即可。如果是系統熱平衡時(shí)間是幾秒級的，需要考慮散熱器溫升時(shí)可使用公式(6)計算。如需更精確的包括接觸面導熱硅脂的多階熱阻模型，則需要用實(shí)驗標定曲線(xiàn)來(lái)提取模型。

IGBT模塊動(dòng)態(tài)熱阻的特性導致驅動(dòng)器中三相逆變橋中的IGBT在不同輸出頻率下，所對應的結溫波動(dòng)幅度也不同。在一個(gè)半波周期內，一個(gè)半橋中其中一個(gè)橋臂的IGBT處于連續帶載工作，在IGBT開(kāi)關(guān)頻率不變下，輸出頻率越低，一個(gè)橋臂的連續帶載時(shí)間越長(cháng)，一個(gè)半波內總損耗能量越大。同時(shí)由于IGBT模塊動(dòng)態(tài)熱阻在一般在1秒內迅速上升，因此輸出頻率越低，IGBT的結溫波動(dòng)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(Infineon功率模塊損耗和結溫模擬計算工具)可得到這四個(gè)頻率下IGBT結溫波動(dòng)曲線(xiàn)，如圖4所示：

在圖4的四個(gè)仿真結果上看，四個(gè)工況下IGBT損耗平均功率都是一直為150W。在(a)中，輸出1Hz下IGBT結溫最高超過(guò)了90°C。而在(d)中，輸出頻率50Hz結溫最高不到76°C。其原因就是由于單次換向周期時(shí)間長(cháng)，導致結溫波動(dòng)幅度大。

• IGBT結溫動(dòng)態(tài)溫升計算在實(shí)際應用中的意義

從上文的分析可看出，在設計IGBT模塊散熱系統時(shí)，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溫波動(dòng)。在標定系統各個(gè)轉速下的最大輸出電流時(shí)，必須設定相應的降額率。同時(shí)堵轉實(shí)驗也可近似考慮為接近0Hz的輸出頻率條件，標定最大堵轉時(shí)間時(shí)，也需要考慮IGBT結溫瞬態(tài)上升的安全范圍。

在實(shí)際應用中，電動(dòng)汽車(chē)的滿(mǎn)載起步或低速爬坡工況是有必要對結溫動(dòng)態(tài)溫升進(jìn)行計算仿真的。下面我們以純電動(dòng)巴士的實(shí)例來(lái)分析其過(guò)載與起步能力。例如系統規格如下：

-驅動(dòng)器額定功率：P_nominal=100kW,

-驅動(dòng)額定輸出電流：I_rms=150A,

-60秒內峰值輸出電流：I_peak=250A

-電池電壓：V_dc=600V,

-開(kāi)關(guān)頻率：f_sw=10kHz,

-輸出頻率：f_out，

-電機極對數：n = 2，

-電機額定轉速：R_nom=3000 r/min，

-齒輪箱減速比：i = 5:1，

-輪胎直徑0.87m，周長(cháng)L=2.75m。

根據公式：

可推算出輸出頻率f_out與車(chē)速的關(guān)系大約為1Hz=>1km/h，與電機轉速的關(guān)系為1Hz=>30r/min，電機額定轉速時(shí)對應頻率為100Hz

我們可使用Infineon的IPOSIM在線(xiàn)版仿真工具 的負載循環(huán)仿真計算的功能，對該車(chē)輛在起步，重載爬坡，高速過(guò)載，勻速輕載等幾個(gè)工況進(jìn)行仿真計算結溫。

我們設定電機驅動(dòng)器采用水冷，進(jìn)口水溫60°C，假設三相橋每一個(gè)橋臂的散熱都是均衡的，散熱器針對一個(gè)橋臂的穩態(tài)熱阻為R_thha= 0.072K/W，散熱器熱平衡時(shí)間τ=14s。驅動(dòng)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(chǎng)終止溝槽柵技術(shù)，最高工作結溫150°C。

使用IPOSIM工具仿真，步驟及結果如下：

-穩態(tài)下fout=100Hz，Iout=150A，持續工作下IGBT結溫：Tvj_max = 109°C

-穩態(tài)下fout=5Hz，Iout=150A，持續工作下IGBT結溫：Tvj _max = 117°C

-穩態(tài)下fout=1Hz(近似堵轉工況)，Iout=150A，持續工作下IGBT結溫：Tvj _max = 123°C

-模擬功率循環(huán)：fout=100Hz，Iout=150A穩態(tài)中出現60秒Iout=250A過(guò)載：

結溫波動(dòng)曲線(xiàn)如圖5，最高結溫會(huì )達到142°C，在安全工作區以?xún)?/span>

-模擬功率循環(huán)：fout=5Hz，Iout=150A穩態(tài)中出現60秒Iout=250A過(guò)載。

結溫波動(dòng)曲線(xiàn)如圖6，最高結溫會(huì )到152°C，這將超過(guò)IGBT安全工作區。

對比仿真結果，在低頻穩態(tài)運行下和過(guò)載功率循環(huán)運行下IGBT結溫均高于高頻運行的工況。因此在低頻時(shí)尤其是堵轉工況下，需要限制電機控制器的過(guò)載電流輸出，峰值電流值需要相應降額。否則在應用中容易出現結溫超出安全工作區導致IGBT模塊的損壞。

• 結論

IGBT模塊和散熱器的動(dòng)態(tài)熱阻特性允許模塊短時(shí)間過(guò)載工作。合理的利用動(dòng)態(tài)熱阻特性可使電機功率輸出性能提高，但同時(shí)必須在設計時(shí)精確的進(jìn)行仿真計算，動(dòng)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，具有對穩態(tài)下和動(dòng)態(tài)循環(huán)下的結溫仿真功能，使設計者在系統設定和模塊選型時(shí)能更加準確和安全。（英飛凌igbt廠(chǎng)家）