電動(dòng)車低速過載工況下IGBT動(dòng)態(tài)溫升分析
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
1 引言
隨著電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展與成熟以及市場(chǎng)對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)性能和可靠性需求的提高，電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)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(jì)的余量必然減少，如果仿真計(jì)算不準(zhǔn)確或僅憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，很容易出現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)大電流過載時(shí)，IGBT模塊的芯片結(jié)溫度會(huì)動(dòng)態(tài)攀升。如果沒有足夠的設(shè)計(jì)余量或不能精確控制輸出過載時(shí)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(duì)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(jì)工程師在研發(fā)時(shí)正確地限定過載峰值。
2 IGBT模塊與散熱器的動(dòng)態(tài)結(jié)溫和動(dòng)態(tài)溫升
無論是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(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(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表示動(dòng)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(shí)的反應(yīng)出真實(shí)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(shí)，可以通過理論計(jì)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(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(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(shí)際測(cè)量標(biāo)定的時(shí)間-熱阻曲線上擬合提取出來，所以一般會(huì)用π型模型來給定動(dòng)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(cè)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(xiàng)分式因數(shù)與曲線，如圖2所示為英飛凌FF600R12ME4模塊的動(dòng)態(tài)熱阻曲線。
?。╝）IGBT動(dòng)態(tài)熱阻曲線（b）反并聯(lián)二極管動(dòng)態(tài)熱阻曲線
圖 2 英飛凌IGBT模塊動(dòng)態(tài)熱阻曲線
圖2中給出的
動(dòng)態(tài)熱阻曲線可表達(dá)為：
如果在動(dòng)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(shí)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(jì)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(shí)IGBT模塊外殼和端子也有少量的對(duì)流熱傳導(dǎo)，但是對(duì)流熱傳導(dǎo)的影響相對(duì)底殼的熱傳導(dǎo)非常小可忽略。由此整個(gè)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(huì)給出一階的熱平衡時(shí)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(jì)算公式為：
對(duì)于散熱器熱平衡時(shí)間為一般幾十秒上百秒的，計(jì)算低頻輸出時(shí)可不用考慮散熱器的溫升，計(jì)算時(shí)使用公式（4）即可。如果是系統(tǒng)熱平衡時(shí)間是幾秒級(jí)的，需要考慮散熱器溫升時(shí)可使用公式（6）計(jì)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(shí)驗(yàn)標(biāo)定曲線來提取模型。具體的實(shí)驗(yàn)提取方法可參看文獻(xiàn)2，本文將不再詳述。
IGBT模塊動(dòng)態(tài)熱阻的特性導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器中三相逆變橋中的IGBT在不同輸出頻率下，所對(duì)應(yīng)的結(jié)溫波動(dòng)幅度也不同。在一個(gè)半波周期內(nèi)，一個(gè)半橋中其中一個(gè)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(gè)橋臂的連續(xù)帶載時(shí)間越長(zhǎng)，一個(gè)半波內(nèi)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(nèi)迅速上升，因此輸出頻率越低，IGBT的結(jié)溫波動(dòng)就越大。
同一型號(hào)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(gè)頻率下IGBT結(jié)溫波動(dòng)曲線，如圖4所示：（IPOSIM對(duì)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(gè)橋臂的IGBT結(jié)溫波動(dòng)對(duì)比
在圖4的四個(gè)仿真結(jié)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(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(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致結(jié)溫波動(dòng)幅度大。
3. IGBT結(jié)溫動(dòng)態(tài)溫升計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中的意義
從上文的分析可看出，在設(shè)計(jì)IGBT模塊散熱系統(tǒng)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(jié)溫波動(dòng)。在標(biāo)定系統(tǒng)各個(gè)轉(zhuǎn)速下的最大輸出電流時(shí)，必須設(shè)定相應(yīng)的降額率。同時(shí)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)間時(shí)，也需要考慮IGBT結(jié)溫瞬態(tài)上升的安全范圍。
在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)汽車的滿載起步或低速爬坡工況是有必要對(duì)結(jié)溫動(dòng)態(tài)溫升進(jìn)行計(jì)算仿真的。下面我們以純電動(dòng)巴士的實(shí)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(dòng)器額定功率：，
-驅(qū)動(dòng)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(jī)極對(duì)數(shù)：n = 2，
-電機(jī)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(zhǎng)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(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為1Hz=》30r/min，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)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(jì)算的功能，對(duì)該車輛在起步，重載爬坡，高速過載，勻速輕載等幾個(gè)工況進(jìn)行仿真計(jì)算結(jié)溫。
我們?cè)O(shè)定電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用水冷，進(jìn)口水溫60°C，假設(shè)三相橋每一個(gè)橋臂的散熱都是均衡的，散熱器針對(duì)一個(gè)橋臂的穩(wěn)態(tài)熱阻為0.072K/W，散熱器熱平衡時(shí)間τ=14s。驅(qū)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(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(dòng)曲線如圖5，最高結(jié)溫會(huì)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(dòng)曲線如圖6，最高結(jié)溫會(huì)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(duì)比仿真結(jié)果，在低頻穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下和過載功率循環(huán)運(yùn)行下IGBT結(jié)溫均高于高頻運(yùn)行的工況。因此在低頻時(shí)尤其是堵轉(zhuǎn)工況下，需要限制電機(jī)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(dòng)態(tài)熱阻特性允許模塊短時(shí)間過載工作。合理的利用動(dòng)態(tài)熱阻特性可使電機(jī)功率輸出性能提高，但同時(shí)必須在設(shè)計(jì)時(shí)精確的進(jìn)行仿真計(jì)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(duì)穩(wěn)態(tài)下和動(dòng)態(tài)循環(huán)下的結(jié)溫仿真功能，使設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)設(shè)定和模塊選型時(shí)能更加準(zhǔn)確和安全。
參考文獻(xiàn)
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評(píng)論