IGBT器件穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)熱模型仿真分析

宋飛, 梁哲興, 張偉

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

電力電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，越來越多的電力電子產(chǎn)品被應(yīng)用到船舶、礦山、車輛等行業(yè)領(lǐng)域。

隨之而來的是電力電子產(chǎn)品的體積和重量等問題。體積和重量過大會嚴重限制電力電子產(chǎn)品的使用場合，降低產(chǎn)品的市場競爭力；體積和重量過小則會導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)熱、可靠性降低等嚴重問題。

決定電力電子產(chǎn)品體積、重量的首要因素就是功率器件熱損耗，熱損耗計算的主要約束條件就是功率器件的結(jié)溫[1]。在以往很多產(chǎn)品設(shè)計過程中功率器件損耗的計算大多是采用等效方法、經(jīng)驗公式等手段，并未深入分析基波頻率、開關(guān)頻率、器件熱抗等因素所引起的功率器件結(jié)溫的變化[2,3]。

如何精確計算電力電子設(shè)備的損耗、準確選擇散熱器，是電力電子產(chǎn)品研發(fā)人員準確設(shè)計產(chǎn)品體積和重量的必要條件。

本文以108 T電動輪牽引變頻器為例，對電力電子設(shè)備中功率器件IGBT的損耗、穩(wěn)態(tài)結(jié)溫、瞬態(tài)結(jié)溫等參數(shù)進行深入分析，論述了一種更加精確的確定功率器件損耗及結(jié)溫的方法。

1 功率器件損耗及其計算方法

在電力電子器件的應(yīng)用中，IGBT和二極管主要工作在開關(guān)狀態(tài)，并周期性地經(jīng)歷各種靜態(tài)和瞬態(tài)的狀態(tài)。而在每一個狀態(tài)中，都會產(chǎn)生一部分功率損耗或能量損耗。這些功率損耗相加，即為開關(guān)器件的總功耗，該功耗會導(dǎo)致器件發(fā)熱。因此，在應(yīng)用半導(dǎo)體器件時，應(yīng)準確計算功率器件損耗，使變流器在任一運行狀態(tài)下均不得超過由制造商所給出的最大允許結(jié)溫[4]。

圖1列出了功率器件在開關(guān)運行狀態(tài)下各項可能發(fā)生的功耗。

一般來說，IGBT的正向截止損耗、驅(qū)動回路的損耗、續(xù)流二極管的截止損耗在總損耗中所占比例較小，可忽略不計。

本文以108T電動輪牽引變頻器為例，下圖顯示了其中1相電路的理想特性曲線[5]。

通過忽略一些次要因素，簡化后可得損耗計算公式如下：

IGBT通態(tài)損耗：

二極管通態(tài)損耗：

IGBT開關(guān)損耗：

二極管開關(guān)損耗：

2 熱阻和熱抗

通常情況下，我們在進行 IGBT損耗及結(jié)溫計算分析時，各環(huán)節(jié)熱阻及溫差如下圖所示：

IGBT結(jié)溫可用公式（5）表示：

上圖所示并沒有準確反映當(dāng)損耗以周期性脈沖形式（方波/正弦半波）存在時，IGBT模塊的熱阻瞬態(tài)變化。我們可從如下圖所示的IGBT熱抗曲線來準確描述IGBT瞬態(tài)熱阻。

從上述曲線中的數(shù)據(jù)可進一步將 IGBT熱抗等效為如下圖：

圖中所示的 RC元件并不是真實的反映熱傳導(dǎo)的物理過程，該參數(shù)只是用來等效表明芯片的功率流和溫度流。其中熱阻R是一個穩(wěn)態(tài)參數(shù)，可以反映芯片的靜態(tài)物理特性參數(shù)。電容替代了真實的物理單元，它可以反映實際元件的熱容量。

IGBT的結(jié)殼熱阻及熱抗可用下式表示：

3 熱傳遞模型

考慮到 IGBT的等效熱抗后簡化熱傳遞框圖如下：

上述框圖用公式表示如下：

續(xù)流二極管考慮熱抗時熱傳遞框圖同上。利用Matlab建立仿真模型如下圖。

仿真參數(shù)：基波頻率32.5 Hz，IGBT平均總損耗324 W，二極管平均總損耗162 W，IGBT引線損耗 9 W，環(huán)境溫度 55°，IGBT型號FF1000R17IE4，IGBT熱抗參數(shù)如表 1。因本文僅研究IGBT熱抗對結(jié)溫的影響，故在此只考慮散熱器的等效熱阻。

穩(wěn)態(tài)結(jié)溫仿真模型只需將熱抗中的熱容取消即可。

4 穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)結(jié)溫仿真分析

利用上述模型，在總損耗不變，只改變基波頻率時，進行仿真得到IGBT結(jié)溫如下圖。

從上圖可看到，IGBT在不同基波頻率時結(jié)溫及其波動大小如下表所示

結(jié)合 108T電動輪牽引電機工況曲線（圖 8），考慮到 IGBT熱抗時的瞬態(tài)溫升仿真結(jié)果如圖 9所示。仿真參數(shù)：開關(guān)頻率2 kHz，直流母線電壓1060 VDC。

從上圖可看出，牽引電機在低速區(qū)具有轉(zhuǎn)矩大、頻率低等特點。采用固定開關(guān)頻率時，在低速時變頻器輸出電流大，牽引變頻器IGBT在啟動時結(jié)溫偏高，達到約 137℃。由于 IGBT開關(guān)損耗占總損耗的比例較大，故在低頻時對 IGBT開關(guān)頻率進行優(yōu)化，仿真結(jié)果如下。

從上圖可以看出，在低頻時采用優(yōu)化開關(guān)頻率后，低速工況時，牽引變頻器IGBT損耗及結(jié)溫大大降低，結(jié)溫最高值降低到約98°，大大提高了設(shè)備的可靠性。

在本項目中所使用的 IGBT的設(shè)計最大使用結(jié)溫在考慮一定的安全系數(shù)后為150°。采用優(yōu)化開關(guān)頻率后，使用相同的散熱器時IGBT結(jié)溫存在很大裕量，證明該散熱器體積、重量仍有減小空間。該研究內(nèi)容將在后續(xù)工作中進行。

5 結(jié)語

本文針對108 T電動輪牽引變頻器中IGBT的損耗及結(jié)溫進行了計算及仿真。指出了在牽引變頻器在啟動及低速工況時應(yīng)考慮IGBT的熱抗及其瞬態(tài)溫升，搭建了IGBT瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)傳熱模型，對IGBT的損耗及結(jié)溫進行了仿真及分析。

利用本文提出的設(shè)計方法可以幫助電力電子研究領(lǐng)域的人員準確掌握變頻器功率器件的損耗及溫升情況，更加精確的設(shè)計變頻的體積、重量，提高產(chǎn)品的市場競爭力，具有較大的參考意義。

[1] Srajber D. The Calculation of power dissipation for the IGBT and the inverse diode in circuits with sinusoidal output voltage, Electronica’92, München,Conf.-Proc.

[2] A. Laprade, G. Bober, R.H. Randall. A numerical method for evaluating current, voltage and temperature dependant IGBT switching and conduction losses, PCIM‘99-CD-ROM-Proceedings.

[3] Yun ChanSu, P. Regli, J. Waldmeyer, W. Fichtner.Static and dynamic thermal characteristics of IGBT power modules, ISPSD‘99, Toronto, 1999.

[4] 胡建輝,李錦庚,鄒繼斌等. 變頻器中的IGBT模塊損耗計算及散熱系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2009,24（3）:159～163.

[5] U.尼古萊, T.雷曼, J.裴措爾. 功率模塊應(yīng)用手冊. 賽米控國際公司, 2003.