一種基于調(diào)節(jié)緩沖電容的IGBT熱管理方法

周雒維 張益 王博

摘 要：針對(duì)結(jié)溫波動(dòng)加快絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）老化失效的問題，提出一種基于調(diào)節(jié)緩沖電容改變IGBT關(guān)斷軌跡的熱管理方法。依據(jù)IGBT壽命模型，通過關(guān)斷軌跡調(diào)節(jié)關(guān)斷損耗大小以平滑結(jié)溫波動(dòng)的方法能提高IGBT使用壽命。與現(xiàn)有的熱管理方法相比，該方法具有對(duì)主電路影響小、實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)。首先，闡述熱管理電路的工作原理，分析緩沖電路對(duì)IGBT關(guān)斷損耗的影響。然后，建立IGBT損耗計(jì)算模型，歸納關(guān)斷軌跡熱管理調(diào)節(jié)能力的評(píng)估方法，以1.2 MW直驅(qū)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)為例，關(guān)斷軌跡熱管理可以平滑20%額定功率的負(fù)載變化造成的結(jié)溫波動(dòng)。最后，對(duì)該熱管理方法進(jìn)行小功率的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：絕緣柵雙極型晶體管;熱管理;緩沖電容;關(guān)斷軌跡;損耗

中圖分類號(hào)：TM 46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2019）04-0028-09

0 引 言

隨著新能源技術(shù)和可再生能源的迅速發(fā)展，功率變流器得到了廣泛地使用，但較低的可靠性嚴(yán)重地制約了其發(fā)展和運(yùn)用[1-3]。根據(jù)工業(yè)反饋[2-4]，運(yùn)用在風(fēng)力發(fā)電的變流器故障率高，正常使用壽命遠(yuǎn)低于預(yù)期標(biāo)準(zhǔn);在電動(dòng)汽車的使用中，因?yàn)樽兞髌鲹p壞而增加的維修成本一定程度上抵消電動(dòng)汽車所帶來的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。研究表明變流器中功率器件損壞是影響其可靠性的最主要因素[5]。IGBT作為運(yùn)用最廣泛的功率器件之一，由于其各層封裝材料的熱膨脹系數(shù)不同，結(jié)溫的頻繁波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致各層熱應(yīng)力差異，加快其疲勞老化，降低使用壽命[6-7]。Bayerer壽命模型[8]指出，降低IGBT的結(jié)溫波動(dòng)是增加其可靠性的重要手段。

IGBT芯片結(jié)溫波動(dòng)主要分為兩種：一種是由變流器輸出功率正弦變化引起的基頻結(jié)溫波動(dòng)，如風(fēng)電網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率（50 Hz）;另一種是由負(fù)載或輸入功率變化所引起的低頻結(jié)溫波動(dòng)，如風(fēng)電變流器中風(fēng)速的波動(dòng)[9]。由于IGBT芯片結(jié)溫相對(duì)于輸入功率的傳遞函數(shù)近似為低通濾波器[10]，基波頻率較高時(shí)IGBT基頻結(jié)溫的波動(dòng)幅值很小，低頻結(jié)溫波動(dòng)是降低IGBT可靠性的主要因素。因此，平滑低頻結(jié)溫波動(dòng)對(duì)提高IGBT的期望壽命很有意義。

文獻(xiàn)[11]提出了通過改變開關(guān)頻率的熱管理方法，由于IGBT開關(guān)損耗與開關(guān)頻率正相關(guān)，當(dāng)變流器輸出電流變小時(shí)IGBT的結(jié)溫也會(huì)降低，此時(shí)加大開關(guān)頻率可以彌補(bǔ)減小的開關(guān)損耗從而降低結(jié)溫波動(dòng)幅值，該方法不需要增加額外硬件設(shè)備，但降低開關(guān)頻率，會(huì)增加變流器的紋波，降低其輸出質(zhì)量。文獻(xiàn)[12]提出了基于門極驅(qū)動(dòng)電阻的熱管理方法，但由于IGBT內(nèi)含寄生驅(qū)動(dòng)電阻，所以調(diào)節(jié)效果不明顯。文獻(xiàn)[13-14]提出基于功率分配的結(jié)溫平滑方法，通過限制變流器的功率，控制IGBT的最大結(jié)溫，該方法只能應(yīng)用于多臺(tái)變流器并聯(lián)的系統(tǒng)中，并且每臺(tái)變流器都降額使用，降低了功率密度。

綜上所述，現(xiàn)有的熱管理方法大多有降低輸出波形質(zhì)量，控制復(fù)雜，對(duì)主電路影響較大等缺點(diǎn)。針對(duì)上述問題，本文提出一種通過調(diào)節(jié)RCD型緩沖電路電容的方法改變IGBT關(guān)斷軌跡，根據(jù)IGBT處理功率的變化，調(diào)節(jié)IGBT關(guān)斷損耗，平衡IGBT內(nèi)部損耗波動(dòng)，從而達(dá)到降低結(jié)溫波動(dòng)的目的。該方法不影響變流器輸出質(zhì)量，控制簡單，亦可和其他方法聯(lián)合使用。

1 關(guān)斷損耗平滑結(jié)溫的思路

IGBT的損耗主要由開通損耗PT_on、關(guān)斷損耗PT_off和導(dǎo)通損耗Pcon組成[15]。其中開關(guān)損耗與母線電壓Vdc、負(fù)載電流Io、開關(guān)頻率fs和芯片結(jié)溫Tj相關(guān)。導(dǎo)通損耗主要受負(fù)載電流Io和結(jié)溫Tj影響，因此IGBT的損耗功率可表示為

在一些大功率的IGBT模塊中，由于母線電壓較高，開關(guān)損耗占比較大。以富士電機(jī)的IGBT模塊（2MBI1000VXB-170EA-50）為例，當(dāng)其以額定負(fù)載運(yùn)行在兩電平的逆變器中時(shí)，通過富士官網(wǎng)提供的損耗仿真軟件（Fuji IGBT Simulator Ver6.0.9）可以得到開通損耗、關(guān)斷損耗、導(dǎo)通損耗的占比分別為27%、41%、32%。導(dǎo)通損耗由IGBT工作電流決定，不易改變;開通損耗占比較小且受電路中寄生電感的影響較大;關(guān)斷損耗占比較高，適用于IGBT的低頻結(jié)溫波動(dòng)的調(diào)節(jié)。

充放電型的RCD緩沖電路可以降低IGBT的關(guān)斷損耗，若緩沖電路中的電容換成可調(diào)電容，如圖1所示，則不同的緩沖電容對(duì)應(yīng)的關(guān)斷損耗大小也不相同。由負(fù)載波動(dòng)而引起的IGBT損耗變化可通過調(diào)節(jié)緩沖電容的大小彌補(bǔ)，從而平滑IGBT結(jié)溫波動(dòng)，如圖2所示。

2 RCD緩沖電路調(diào)節(jié)關(guān)斷損耗的原理

圖3是逆變器中一個(gè)IGBT橋臂的工作原理示意圖。在開關(guān)周期內(nèi)，認(rèn)為逆變器輸出電流Io不變。T1閉合T2關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過T1流出，此時(shí)T1承受的壓降約為0，如圖3（a）所示;在T1關(guān)斷過程中（T2由于死區(qū)時(shí)間并未開通），由于負(fù)載電流不能突變，此時(shí)電流通過二極管D2進(jìn)行續(xù)流，如圖3（b）所示，但在T1兩端電壓上升到母線電壓前，二極管承受反向壓降不能導(dǎo)通，因此流過T1的電流只能在其電壓上升到母線電壓后再通過D2續(xù)流，如圖3（c）所示。從IGBT電流下降開始計(jì)算（Ⅱ區(qū)域），IGBT的關(guān)斷損耗通過積分計(jì)算為

有緩沖電路的情況下IGBT導(dǎo)通時(shí)如圖4（a）所示，緩沖電路被短路，負(fù)載電流通過IGBT流出。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)如圖4（b）所示，流過IGBT的電流在同橋臂的另一只二極管正向?qū)ㄇ熬涂梢酝ㄟ^RCD緩沖電路進(jìn)行續(xù)流，IGBT電流會(huì)立即減小，關(guān)斷損耗也會(huì)降低。此時(shí)IGBT電壓、電流波形如圖5所示。

圖5（a）中流過IGBT的電流在其電壓上升過程中就開始減小。緩沖電路中的電容取值越大，電壓上升過程越緩慢，斜率越小，圖5（b）是不同電容大小對(duì)應(yīng)的電流電壓波形（Cs0

由式（8）可知，隨著緩沖電容的增大，IGBT的關(guān)斷損耗逐漸減小。從上述理想情況下的理論分析可知，加入緩沖電路的IGBT關(guān)斷損耗相對(duì)于無緩沖電路的情況不僅可以減?、騾^(qū)域內(nèi)的損耗，也可以消除Ⅰ區(qū)域中的損耗，且改變緩沖電容的大小可以調(diào)節(jié)Ⅱ區(qū)域內(nèi)的損耗大小。在圖4所示的緩沖電路中，當(dāng)IGBT開通時(shí)，儲(chǔ)存在電容中的能量通過緩沖電阻R向IGBT回饋，電阻R的取值比IGBT導(dǎo)通電阻大得多，電容中的能量幾乎全消耗在電阻R中，因此不會(huì)影響IGBT的開通損耗大小。

一般RCD緩沖電路中緩沖電阻取值主要有兩方面限制。一是要限制緩沖電容放電電流大小，二是要保證在IGBT的最小占空比內(nèi)，緩沖電容的能量可以完全釋放，文獻(xiàn)[16]推導(dǎo)了緩沖電阻的取值范圍為

由于緩沖電容支路上電流的di/dt較大，所以不能忽略緩沖電容支路上的寄生電感，寄生電感產(chǎn)生的感生電壓將會(huì)影響IGBT的關(guān)斷損耗。在IGBT集電極—發(fā)射極兩端并聯(lián)電容后，會(huì)改變IGBT的拖尾電流，這個(gè)現(xiàn)象是由于增加緩沖電容后，流過漂移區(qū)的電流受電容電場影響引起的[17-19]。文獻(xiàn)[20]指出，并聯(lián)緩沖電容后IGBT的關(guān)斷損耗受這個(gè)現(xiàn)象的影響較大，電容值越大，Itm越小，并測試了母線電壓300 V、關(guān)斷電流75 A、結(jié)溫125 ℃條件下不同IGBT在不同緩沖電容下的關(guān)斷損耗如圖6所示，圖中的虛直線為緩沖電路的損耗?？紤]緩沖電容支路上寄生電感和拖尾電流的影響，IGBT關(guān)斷過程的電壓、電流波形如圖7所示。

從圖6可以看出，緩沖電容和關(guān)斷損耗符合指數(shù)分布關(guān)系，緩沖電容越大，關(guān)斷損耗越低。但是隨著緩沖電容增大，電容吸收的能量也越大，電容的能量將消耗在緩沖電阻上，緩沖電容的取值需要考慮緩沖電阻的散熱問題。如果受變流器內(nèi)部空間限制，不能為緩沖電阻增加額外的散熱器，可以使緩沖電路的損耗等于IGBT減小的損耗，這樣緩沖電阻可以直接安裝在IGBT的散熱片上，不需要增加額外的散熱器，也不會(huì)影響變流器內(nèi)部的熱設(shè)計(jì)。例如圖6中2MBI75_060模塊的緩沖電容取100 nF，則緩沖電路增加的損耗和IGBT減小的關(guān)斷損耗均為4.5 mJ，關(guān)斷損耗減少50%，緩沖電阻不需要額外的散熱器。如果原變流器的散熱設(shè)計(jì)留有較大余量，或者變流器有足夠空間可以為緩沖電阻增加散熱器，主動(dòng)結(jié)溫控制電路可以選擇更大的電容，增加結(jié)溫平滑范圍。綜上所述，緩沖電容的選取需要在緩沖電路損耗和結(jié)溫平滑能力折中考慮。

3 調(diào)節(jié)范圍

調(diào)節(jié)范圍指的是指當(dāng)負(fù)載波動(dòng)在一定范圍內(nèi)時(shí)能通過緩沖電路調(diào)節(jié)關(guān)斷損耗使IGBT總損耗維持不變。本節(jié)推導(dǎo)出一種用于估算調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)能力的方法，該方法能在不同功率等級(jí)的電路中應(yīng)用。

變流器參數(shù)如表1所示，調(diào)制方式為正弦脈寬調(diào)制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM），選用的IGBT模塊為富士電機(jī)的2MBI1000VXB-170EA-50（Vce=1 700 V，Ice=1 000 A）并聯(lián)構(gòu)成。

文獻(xiàn)[21]給出了IGBT的開關(guān)損耗和通態(tài)損耗的估算方法。通過對(duì)數(shù)據(jù)手冊Vce/Ic和開關(guān)損耗Eon/Eoff曲線進(jìn)行采樣擬合可以得到損耗估算所需全部參數(shù)，擬合結(jié)果如圖8所示。

從圖9中可知，當(dāng)負(fù)載電流在386～500 A之間波動(dòng)時(shí)，通過調(diào)節(jié)關(guān)斷軌跡調(diào)節(jié)IGBT的關(guān)斷損耗，可以使IGBT的總損耗維持在900 W，也就是說負(fù)載在額定功率的22.8%（386～500 A）以內(nèi)波動(dòng)時(shí)，IGBT損耗可以保持不變，維持IGBT結(jié)溫恒定。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于目前IGBT結(jié)溫的在線測量方法尚不成熟，本文實(shí)驗(yàn)采用開封未灌膠的IGBT模塊，并使用紅外測溫儀監(jiān)測結(jié)溫變化。開封未灌膠的處理使IGBT模塊的絕緣性受到了破壞，不能施加很高的母線電壓。由于論文所提方法的工作原理和IGBT處理功率無關(guān)，所以本文通過小功率實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提方法的原理，如圖10所示。

如圖10（a）所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為單相橋式電路，IGBT模塊（未填充硅膠）的型號(hào)為2MBI75VA-120-50，圖中陰影部分為熱管理調(diào)節(jié)電路，主電路結(jié)構(gòu)如圖10（b）所示。圖10（c）和圖10（d）分別給出了熱管理調(diào)節(jié)電路的原理圖和實(shí)物照片，其中電容容值的改變通過并聯(lián)電容的方式實(shí)現(xiàn)。

熱管理調(diào)節(jié)電路中，電容采用無感電容以減小寄生參數(shù)的影響，開關(guān)器件采用金屬—氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor， MOSFET），其寄生的反向二極管可以為電容放電提供回路。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電路主要參數(shù)如表2所示。根據(jù)第4節(jié)推導(dǎo)的調(diào)節(jié)能力估算方法，可以估算出在表2的工況下，該熱管理方法最大可以平滑10%負(fù)載變化造成的結(jié)溫波動(dòng)，如圖11所示。

從圖12（a）和圖12（b）可以看出有無緩沖電路的情況下IGBT關(guān)斷波形的差異，如理論分析所示，緩沖電路的加入使得IGBT電流可以迅速下降，減小了關(guān)斷損耗的大小。圖12（c）和圖12（d）是不同緩沖電容大小下IGBT關(guān)斷波形，電容大小不影響IGBT關(guān)斷電流的下降斜率，但會(huì)改變拖尾電流大小和時(shí)間。電容越大，關(guān)斷電壓上升斜率也越小。

結(jié)溫平滑實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)逆變器工作在負(fù)載電流為33 A的額定電流時(shí)，緩沖電容支路開關(guān)全部閉合，此時(shí)IGBT損耗最低。當(dāng)負(fù)載降低時(shí)，根據(jù)負(fù)載電流大小改變緩沖電容的容值從而達(dá)到損耗平衡的目的。負(fù)載電流按照33 A-32 A-33 A-30 A-33 A-28 A變化，緩沖電容調(diào)節(jié)前的結(jié)溫波動(dòng)波形如圖13（a）所示。此時(shí)電容大小根據(jù)負(fù)載電流進(jìn)行選擇95 nF（33 A），68 nF（32 A），27 nF（30 A），0（<30 A），調(diào)節(jié)后結(jié)溫波形如圖13（b）所示?？梢钥闯觯?dāng)負(fù)載波動(dòng)為額定負(fù)載的10%左右時(shí)，關(guān)斷軌跡結(jié)溫控制方法可以完全的平滑結(jié)溫;當(dāng)負(fù)載電流波動(dòng)高于緩沖電路可以調(diào)節(jié)的范圍，關(guān)斷軌跡結(jié)溫平滑降低了結(jié)溫波動(dòng)的幅度，從ΔTj=2.5 ℃降低到ΔTj=0.5 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖11推測的調(diào)節(jié)范圍相符。

5 結(jié) 論

本文提出一種基于調(diào)節(jié)IGBT關(guān)斷損耗的熱管理方法，該方法通過動(dòng)態(tài)的改變IGBT緩沖電容來調(diào)節(jié)IGBT關(guān)斷損耗。通過分析IGBT開關(guān)過程推導(dǎo)了該方法的調(diào)節(jié)能力，以1.2 MW風(fēng)機(jī)變流器為例，該方法最大能平衡負(fù)載波動(dòng)22.8%所引起的結(jié)溫變化。進(jìn)行了小功率實(shí)驗(yàn)，實(shí)測的IGBT開關(guān)波形驗(yàn)證了熱管理方法原理的正確性，最后的平滑結(jié)果也滿足對(duì)該方法調(diào)節(jié)能力推導(dǎo)。

相比于開關(guān)頻率調(diào)節(jié)、驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)等熱管理方法，該方法具有可以獨(dú)立控制每個(gè)IGBT熱載荷、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于新能源發(fā)電等非平穩(wěn)工況的變流器中，以提高IGBT壽命期望。

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（編輯：邱赫男）