為獲得絕緣柵雙極型晶體管( IGBT)在工作過程中準(zhǔn)確的功率損耗,基于數(shù)學(xué)模型及測試,建立了 一種準(zhǔn)確計(jì)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(jìn)行準(zhǔn)確測量,建立了一種通用的功率器件導(dǎo)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(xué)模型。搭建三相電感結(jié)溫測試平臺(tái),通過結(jié)溫試驗(yàn)驗(yàn)證了 IGBT 模塊損耗模型和結(jié) 溫預(yù)估算型準(zhǔn)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(shí)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(dǎo)通壓降低等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在電氣 設(shè)備電能轉(zhuǎn)換裝置中。在混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)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(jì)入模塊損 耗。損耗的變化會(huì)引起 IGBT 和二極管結(jié)溫的變 化,當(dāng)負(fù)載電流增加,結(jié)溫會(huì)顯著升高。結(jié)溫超出一 定范圍會(huì)使 IGBT 絕緣柵失去絕緣能力。另一方面,在電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速 起動(dòng)時(shí),由于 IGBT 和反向二極管交替長時(shí)間導(dǎo)通, 會(huì)產(chǎn)生較大的結(jié)溫波動(dòng),也會(huì)使鍵合線失效。在實(shí) 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(dòng)車輸出更高功率, 同時(shí)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(jìn)行計(jì)算,然后加入 IGBT 模塊實(shí)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(gè)部分:開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。導(dǎo)通損耗是由負(fù)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(jì)算方法進(jìn)行推導(dǎo),并通過結(jié)溫實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)模型進(jìn)行對比。

1 、IGBT 導(dǎo)通及開關(guān)損耗模型

(1)IGBT 導(dǎo)通損耗

         導(dǎo)通損耗是導(dǎo)通過程中由于飽和壓降的存在, 而飽和壓降與導(dǎo)通時(shí)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(jìn)行雙脈沖測試,開通時(shí)和關(guān)斷時(shí) 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(shí)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(shí) 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(zhǔn)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(jìn)行雙脈沖測試。測試臺(tái)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(dòng)電路組成。第一個(gè)脈沖用于建立一個(gè)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(shí)長大約 50 μs,需要的負(fù)載空心電感大約 35 μH。第一個(gè)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(shí)是否有振蕩,是否存在過高的電壓過沖。第一個(gè)脈沖的關(guān)斷到第二個(gè)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(fù)載側(cè)有可以觀測的電流, 這段時(shí)間設(shè)得很短,大約 10 μs,所以電流在負(fù)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(gè)脈沖關(guān)斷的電流相等。第二個(gè)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(gè)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(biāo)定出常 溫 25 ℃ 和高溫 125 ℃ 時(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(fù)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(biāo) 電機(jī)電感的外置電感負(fù)載,就能在電機(jī)正向運(yùn)行工況下,較好地鏡像評(píng)估 IGBT 的發(fā)熱。該工況下 IGBT 有最高的發(fā)熱,是系統(tǒng)保護(hù)點(diǎn)設(shè)計(jì)和軟件故障 診斷的觸發(fā)點(diǎn)。結(jié)溫測試方法用電感負(fù)載模擬,對比經(jīng)典電機(jī)對拖測試平臺(tái),電感實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換,不能模擬電機(jī)反拖工況,該工況下IGBT和二極管發(fā)熱分布會(huì)變化較大,因此不能模擬電動(dòng)車能量回收對二極管的影響?？紤]電動(dòng)車配有機(jī)械剎車,不會(huì)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(shí)用的現(xiàn)實(shí)意義。

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