电动车低速过载工况下IGBT动态温升分析

　　摘要：电动汽车电机在低转速大电流过载输出时，驱动器IGBT模块结温会迅速攀升并很容易超出安全工作区从而导致失效。如果在系统设计阶段，利用散热回路的瞬态热阻特性，并通过仿真计算精确控制低速下的电流输出，将能够更好地提高电动车驱动系统的可靠性和功率密度。本文首先介绍了IGBT模块和散热器的瞬态热阻特性；然后分析了在电动车电机驱动器在低速与常速下电流过载输出对IGBT模块结温温升的影响；最后介绍了如何用英飞凌IPOSIM仿真工具对过载输出时IGBT模块结温进行仿真，以及不同工况下IGBT瞬时结温的仿真结果。本文可对电动车电机驱动器设计中IGBT输出限值的动态选取提供参考依据。

　　1 引言

　　随着电动汽车驱动技术的发展与成熟以及市场对电动汽车驱动性能和可靠性需求的提高，电动车驱动系统的发展将朝着：高功率密度，高可靠性，低成本的方向发展。然而更高的功率密度与更低的成本使系统设计的余量必然减少，如果仿真计算不准确或仅凭经验设计，很容易出现电机驱动器的IGBT等功率器件的过温或关断超出安全工作区RBSOA（Reverse Biased Safe Operating Area）损坏。

　　当系统处于短时大电流过载时，IGBT模块的芯片结温度会动态攀升。如果没有足够的设计余量或不能精确控制输出过载时间与过载电流倍数，IGBT结温将有可能升高超过安全工作区而导致失效。针对这些问题，本文分析在不同输出频率的条件下，过载输出与IGBT结温的关系，以帮助硬件设计工程师在研发时正确地限定过载峰值。

　　2 IGBT模块与散热器的动态结温和动态温升

　　无论是IGBT模块的底壳基板还是散热器上都同时存在热阻和热容两个特性。热阻是反映导热介质阻碍热量传导能力的综合参量。根据热阻Rth定义，为热流通路上的温差ΔT与总损耗功率之比

　　由于热阻和热容特性的同时作用，产生了动态热阻的特性。一般有两种方式建模来表示动态热阻特性 – T型模型和π型模型。如图1所示。

　　

　　（a）T型连续网络模型回路（Cauer model）（b）π型局部网络模型回路（Foster model）

　　图 1 两种模型示意图

　　如图1（a），T型模型的结构比较真实的反应出真实的热阻热容物理结构。如果散热系统中每一层的材料的特性参数都是已知的时，可以通过理论计算公式来建立这种模型的结果。但是，在热传播中很难确定热传播在每一层中的分布，因此实际建模时一般不使用T型回路。

　　图1（b）中的π型模型虽然在结构上不具备具体的物理意义，但是该模型的数学模型比较容易从实际测量标定的时间-热阻曲线上拟合提取出来，所以一般会用π型模型来给定动态热阻曲线的分式因数。英飞凌IGBT模块的数据手册上就分别给出了IGBT芯片与反并联二极管芯片的π型回路各项分式因数与曲线，如图2所示为英飞凌FF600R12ME4模块的动态热阻曲线。

　　

　　（a）IGBT动态热阻曲线（b）反并联二极管动态热阻曲线

　　图 2 英飞凌IGBT模块动态热阻曲线

　　图2中给出的

　　动态热阻曲线可表达为：

　　如果在动态温升过程中，IGBT模块的损耗P（t）是已知的，IGBT模块底壳温度是已知的，则IGBT及二极管芯片的结温可由下公式得出：

　　公式（4）中P（t）限定为单次方波脉冲的功率，IGBT模块在实际应用中一般为连续脉冲，而且在正弦调制中为功率变化的连续脉冲，计算公式比较复杂，可从IEC60747-6标准中查得［1］。

　　此外还需要考虑到散热器以及模块与散热器接触面的瞬态热阻，同时IGBT模块外壳和端子也有少量的对流热传导，但是对流热传导的影响相对底壳的热传导非常小可忽略。由此整个散热系统合并的串联π型网络模型可由图（3）表示。

　　

　　图3 合并π型热阻网络模型

　　一般散热器厂商会给出一阶的热平衡时间即3倍的值，用一阶分式拟合可表示为公式：

　　由此得出考虑散热器热阻的IGBT结温计算公式为：

　　对于散热器热平衡时间为一般几十秒上百秒的，计算低频输出时可不用考虑散热器的温升，计算时使用公式（4）即可。如果是系统热平衡时间是几秒级的，需要考虑散热器温升时可使用公式（6）计算。如需更精确的包括接触面导热硅脂的多阶热阻模型，则需要用实验标定曲线来提取模型。具体的实验提取方法可参看文献2，本文将不再详述。

　　IGBT模块动态热阻的特性导致驱动器中三相逆变桥中的IGBT在不同输出频率下，所对应的结温波动幅度也不同。在一个半波周期内，一个半桥中其中一个桥臂的IGBT处于连续带载工作，在IGBT开关频率不变下，输出频率越低，一个桥臂的连续带载时间越长，一个半波内总损耗能量越大。同时由于IGBT模块动态热阻在一般在1秒内迅速上升，因此输出频率越低，IGBT的结温波动就越大。

　　同一型号IGBT模块在同样为Vdc=600V，fsw=10KHz的条件下，分别输出1Hz、5Hz、20Hz、50Hz四种频率的有效电流为200A的正弦波，我们用IPOSIM仿真工具可得到这四个频率下IGBT结温波动曲线，如图4所示：（IPOSIM对IGBT损耗与结温的仿真原理详见参考文献3）

　　

　　图4 不同输出频率下一个桥臂的IGBT结温波动对比

　　在图4的四个仿真结果上看，四个工况下IGBT损耗平均功率都是一直为150W。在（a）中，输出1Hz下IGBT结温最高超过了90°C。而在（d）中，输出频率50Hz结温最高不到76°C。其原因就是由于单次换向周期时间长，导致结温波动幅度大。