為獲得絕緣柵雙極型晶體管( IGBT)在工作過程中準確的功率損耗,基于數(shù)學模型及測試,建立了 一種準確計算功率逆變器損耗模型的方法。通過雙脈沖測試對影響 IGBT 開關(guān)損耗的參數(shù)( Eon 、Eoff 和 Erec ) 進行準確測量,建立了一種通用的功率器件導通損耗和開關(guān)損耗模型。在考慮 IGBT 芯片間熱偶合影響基礎(chǔ)上提出了一種結(jié)溫估算數(shù)學模型。搭建三相電感結(jié)溫測試平臺,通過結(jié)溫試驗驗證了 IGBT 模塊損耗模型和結(jié) 溫預(yù)估算型準確性。該損耗模型及結(jié)溫估算的方法對于提高功率模塊可靠性及降低成本具有較大工程實際意義。

         隨著新能源汽車的大力發(fā)展,功率器件的封裝 逐漸向大電流、低阻通、小型化方向發(fā)展,IGBT 以其 開關(guān)頻率高、導通壓降低等特點被廣泛應(yīng)用在電氣 設(shè)備電能轉(zhuǎn)換裝置中。在混合動力汽車和純電動汽 車中,IGBT 模塊的結(jié)溫是決定逆變器可靠性的關(guān) 鍵,也直接決定了模塊的最大輸出功率能力。IGBT 模塊的損耗由 IGBT 芯片和二極管芯 片的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗組成,大功率模塊內(nèi)的引 線電  阻造成的損耗也不能忽略,要一并計入模塊損 耗。損耗的變化會引起 IGBT 和二極管結(jié)溫的變 化,當負載電流增加,結(jié)溫會顯著升高。結(jié)溫超出一 定范圍會使 IGBT 絕緣柵失去絕緣能力。另一方面,在電動機低轉(zhuǎn)速 起動時,由于 IGBT 和反向二極管交替長時間導通, 會產(chǎn)生較大的結(jié)溫波動,也會使鍵合線失效。在實 際應(yīng)用過程中,新能源汽車水溫一般在 65 ℃ 左右, 且隨散熱、損耗變化。為了使電動車輸出更高功率, 同時保證其可靠性及安全性,對于 IGBT 模塊的最 高結(jié)溫和結(jié)溫紋波的正確估算尤為關(guān)鍵 。

         得到 IGBT 的結(jié)溫,首先要對 IGBT 的損耗進行計算,然后加入 IGBT 模塊實際的熱模型,在一定的散熱條件下可以算出結(jié)溫。IGBT 的損耗分成兩個部分:開關(guān)損耗和導通損耗。導通損耗是由負載電流、IGBT 飽和壓降和調(diào)制方法決定的 。本文將對損耗的數(shù)值計算方法進行推導,并通過結(jié)溫實驗與數(shù)學模型進行對比。

1 、IGBT 導通及開關(guān)損耗模型

(1)IGBT 導通損耗

         導通損耗是導通過程中由于飽和壓降的存在, 而飽和壓降與導通時壓降、占空比、開關(guān)頻率以及結(jié) 溫有密切關(guān)系。

(2) IGBT 開關(guān)損耗

         為精確獲取 IGBT 的開關(guān)特性,需要搭建 IGBT 模塊的半橋電路進行雙脈沖測試,開通時和關(guān)斷時 能量損失 Eon 和 Eoff 對開關(guān)損耗有直接影響,除此之 外,開關(guān)損耗還與開關(guān)頻率有關(guān)。開通過程中的能 量損耗定義為在時間跨度為 T0 情況下,集電極電流 從正常值的 10%到集射極電壓下降到正常值的 2% 結(jié)束。關(guān)斷過程中的能量損耗定義為 Eoff 對應(yīng)的時 間,從 Uce 上升到正常值的 10%開始,集電極電流下降到正常值的 2%結(jié)束。

2、 雙脈沖測試

         為了準確建立 IGBT 損耗模型,對開關(guān)過程中的通態(tài)及斷態(tài)損耗進行雙脈沖測試。測試臺架主要由可調(diào)直流電源、電容組、電感以及 IGBT 模塊及驅(qū)動電路組成。第一個脈沖用于建立一個初始電流值,例如數(shù)據(jù)手冊中的額定電流,在零電流開通條件下,脈沖時長大約 50 μs,需要的負載空心電感大約 35 μH。第一個脈沖的關(guān)斷即 IGBT 的關(guān)斷特性也是二極管的正向?qū)ㄩ_啟,通過讀取下降沿波形可以查看 IGBT 關(guān)斷時是否有振蕩,是否存在過高的電壓過沖。第一個脈沖的關(guān)斷到第二個脈沖的開通之間是由二極管續(xù)流構(gòu)成的,IGBT 只有無法觀測到的漏電流,負載側(cè)有可以觀測的電流, 這段時間設(shè)得很短,大約 10 μs,所以電流在負載上 消耗的功率很小?？梢园l(fā)現(xiàn),第二次開通的電流大 致與第一個脈沖關(guān)斷的電流相等。第二個脈沖上升 沿是 IGBT 在一定電流下的開通,對應(yīng)的續(xù)流二極 管完成反向恢復(fù)。第二個脈沖寬度在 10 μs 左右, 以免關(guān)斷電流超過器件最大關(guān)斷電流。IGBT 損耗特性和溫度息息相關(guān),因此標定出常 溫 25 ℃ 和高溫 125 ℃ 時的損耗值作為基礎(chǔ),并在 25 ℃和 125 ℃參數(shù)基礎(chǔ)上,通過線性化處理,獲得 全溫度范圍的損耗數(shù)據(jù)。

3、 實驗驗證

         結(jié)溫測試設(shè)備由雙脈沖發(fā)生器、冷卻液水泵、三相負載電感、雙脈沖發(fā)生器及 IGBT 測試模塊組成,對于 IGBT 發(fā)熱而言,重要的參數(shù)是電流、電壓、開關(guān)頻率、功率因數(shù)角和調(diào)制度。只要選取對標 電機電感的外置電感負載,就能在電機正向運行工況下,較好地鏡像評估 IGBT 的發(fā)熱。該工況下 IGBT 有最高的發(fā)熱,是系統(tǒng)保護點設(shè)計和軟件故障 診斷的觸發(fā)點。結(jié)溫測試方法用電感負載模擬,對比經(jīng)典電機對拖測試平臺,電感實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換,不能模擬電機反拖工況,該工況下IGBT和二極管發(fā)熱分布會變化較大,因此不能模擬電動車能量回收對二極管的影響?？紤]電動車配有機械剎車,不會完全使用功率電子最高的電氣能量回收能力,因此能量回收不是最惡劣工況,該測試方法依然有實用的現(xiàn)實意義。

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