IGBT損耗和溫度估算

吳志紅，何耀華

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201907)

0 引 言

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。

本文以Infineon HybridPACKTM驅(qū)動(dòng)模塊FS820R08A6P2B為例[1-3]，模塊的理論最大集電極輸出電流定義在連續(xù)電流有效值820 A。但數(shù)據(jù)手冊[2]定義最大Icnom=450 A，這是在水溫80 ℃下定義的。也就是說，當(dāng)集電極電流有效值450 A，其模塊損耗產(chǎn)生的溫升使IGBT結(jié)溫達(dá)到175 ℃，也就達(dá)到了最大工作結(jié)溫。結(jié)溫取決于損耗、水溫和散熱，即當(dāng)損耗、水溫更低，散熱更理想時(shí)，模塊實(shí)際可以短時(shí)間輸出比標(biāo)稱更大的電流，在電機(jī)上產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩。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。鍵合線受到溫度應(yīng)力，經(jīng)歷功率周次后會(huì)引起鍵合線脫焊和斷裂甚至損壞。位于芯片和散熱器之間的絕緣陶瓷基板，由于其熱膨脹系數(shù)不同，在溫度變化下會(huì)產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致模塊整體散熱效果變差，進(jìn)而導(dǎo)致IGBT超過最高結(jié)溫失效[5]。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[6]。

要得到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[7]。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[8-11]。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損耗模型建立

當(dāng)Uge之間被加上脈沖信號，便對CGE開始充電，VGE開始上升，上升過程的時(shí)間常數(shù)由CGE和柵極驅(qū)動(dòng)網(wǎng)路的電阻所決定，一旦VGE達(dá)到開啟電壓VGE(th)后，集電極電流Ic則開始上升。開通延遲時(shí)間td(on)被定義為從VGE上升至閾值電壓VGE(th)開始，到IC上升至集電極電流的10%為止。此后，集電極電流Ic持續(xù)上升，到Ic上升至集電極電流的90%時(shí)，這段時(shí)間稱為上升時(shí)間tr。開通延遲時(shí)間td(on)與上升時(shí)間tr之和被為開通時(shí)間ton。在整個(gè)開通時(shí)間內(nèi)，電流逐漸上升，而集電極-發(fā)射極之間的壓降仍然十分可觀，因此主要的開通損耗產(chǎn)生于這一時(shí)間內(nèi)。

本文基于數(shù)學(xué)方法的功率損耗模型并以雙脈沖測試為基礎(chǔ)進(jìn)行功率損耗研究，得出功率損耗與IGBT模塊自身參數(shù)之間的關(guān)系，有效且準(zhǔn)確性較高。IGBT功率損耗主要來自飽和導(dǎo)通狀態(tài)下電阻產(chǎn)生的損耗和開關(guān)在通斷過程中電流和電壓變化不同步引起的損耗。

(1)

式中：T0為輸出時(shí)間周期；Econd為導(dǎo)通損耗；Eon為開關(guān)開通瞬間能量損耗；Eoff為開關(guān)關(guān)斷瞬間能量損耗；pav為模塊平均功率損耗；pcond為導(dǎo)通功率損耗；psw為開關(guān)功率損耗。

1.1 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)

式中：i(t)=isin(ωt)為正弦負(fù)載電流；vCE(t)=VCE0+ri(t)。

(3)

(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。

(4)

式中:fsw,IGBT為開關(guān)頻率；Eon,IGBT,Eoff,IGBT分別為開關(guān)開通和關(guān)斷時(shí)的能量損失,需通過實(shí)驗(yàn)測試獲得；T0為開通到關(guān)斷時(shí)的一個(gè)周期。

Esw,IGBT(i(t))=Eon,IGBT(Inom,Vnom)+

(5)

式中：Inom為標(biāo)稱電流；Vdc為直流母線電壓；Vnom為額定電壓；Eon,IGBT(Inom,Vnom)為額定電流和額定電壓下的開關(guān)開通能量損耗；Eoff,IGBT(Inom,Vnom)為額定電流和額定電壓下的開關(guān)關(guān)斷能量損耗。對于不同應(yīng)用場合，開通和關(guān)斷時(shí)的能量損耗是不相同的，根據(jù)不同工況需求，進(jìn)行雙脈沖測試獲得。

1.2 二級管導(dǎo)通及開關(guān)損耗

(1)導(dǎo)通損耗模型

(6)

式中：T0為一個(gè)開關(guān)周期；vCE為集射極電壓；τ(t)為開通時(shí)間。

(2)開關(guān)損耗模型

(7)

(8)

式中：Erec(Inom,Vnom)為二極管反向恢復(fù)能量損耗。

1.3 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。如圖1所示，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。雙脈沖測試參數(shù)如表1所示。

圖1 雙脈沖測試設(shè)備

表1 IGBT模塊雙脈沖測試參數(shù)

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)。雙脈沖測試開關(guān)特性如圖2和表2所示。

圖2 雙脈沖測試開關(guān)特性

表2 雙脈沖測試得到的IGBT動(dòng)態(tài)開關(guān)特性

2 IGBT結(jié)溫預(yù)估

材料的導(dǎo)熱性能直接影響IGBT的散熱能力，如果已知介質(zhì)橫截面積A和厚度d，就可以得到熱阻Rth。如圖3所示，Tj為晶元結(jié)溫，Tf為液冷系統(tǒng)冷卻液溫度。在已知晶元損耗的情況下，由式(9)可以獲得單個(gè)IGBT和二極管的熱阻。

圖3 熱阻模型

(9)

式中：Rth為熱阻；ΔT是溫升；ptot是系統(tǒng)總體損耗。

IGBT熱網(wǎng)絡(luò)物理模型如圖4所示。熱阻本身反應(yīng)了熱傳遞系數(shù)，考慮到熱傳遞時(shí)間，引入了Zth的概念，增加了電容系數(shù)C，組成為等效RC熱局部網(wǎng)絡(luò)模型(Foster模型)，當(dāng)芯片產(chǎn)生熱量，熱流的熱路由熱阻和熱容組成，F(xiàn)oster模型模型不用考慮實(shí)際的物理層和材料。將圖4抽象到如圖5所示的四階RC數(shù)學(xué)模型。

圖4 IGBT模塊結(jié)溫與熱阻定義點(diǎn)

圖5 IGBT四階RC網(wǎng)絡(luò)模型

Foster RC熱阻模型中，熱傳導(dǎo)特性由電阻、電容的串并聯(lián)組合來模擬，表達(dá)式如下：

(10)

式中：熱容Zth(t)是熱阻Ri對時(shí)間的表征，加入虛擬的4階電容參數(shù)Ci。

基于圖5的IGBT熱網(wǎng)絡(luò)模型，相關(guān)RC參數(shù)如表3所示(本文提到的IGBT模塊為 FS820R08xxx系列)。

表3 IGBT及二極管的熱阻值

結(jié)溫由四個(gè)組成部分：由芯片損耗乘以熱阻，模塊對水冷液的熱對流，水溫，IGBT和二極管的熱耦合。

Tvj,IGBT=ptot,IGBTZth,IGBT+(ptot,IGBT+ptot,Diode)·

(11)

Tvj,Diode=ptot,DiodeZth,Diode+(ptot,IGBT+ptot,Diode)·

(12)

由式(11)、式(12)可見，結(jié)溫主要是發(fā)熱損耗和IGBT/二極管熱容(Zth)的乘積，發(fā)熱損耗包括ptot,IGBT和ptot,Diode兩部分，熱容包括Zth,IGBT和Zth,Diode，也需要考慮散熱介質(zhì)特性(橫截面積A，厚度d)，散熱水流溫度(Tflow)，芯片熱耦合(Zth,Diode,coupling，Zth,IGBT,coupling)的影響。

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，如圖6所示。受測試條件限制，本文采用三相電感作為結(jié)溫測試負(fù)載。

圖6 結(jié)溫測試設(shè)備實(shí)物圖

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。

基于直流母線電壓400 V，開關(guān)頻率10 kHz，調(diào)制度0.9，功率因數(shù)0.9，測試不同負(fù)載電流下的損耗和結(jié)溫，結(jié)果如表4所示。

表4 不同工況下IGBT模塊損耗及結(jié)溫計(jì)算結(jié)果

通過脈沖發(fā)生器將脈沖信號加載到柵極驅(qū)動(dòng)器上。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，從測試結(jié)果可以看出，芯片的最高結(jié)溫出現(xiàn)在出水口處。當(dāng)功率損耗分別0.94 kW、1.22 kW、1.53 kW和2.00 kW時(shí)，測試最高結(jié)溫分別為49.1 ℃、57.6 ℃、66.7 ℃和76.7 ℃，如圖7所示。

圖7 IGBT模塊測試云圖

通過雙脈沖測試獲得的IGBT損耗，并根據(jù)模塊的封裝結(jié)構(gòu)獲得模塊的總熱阻，由式(11)和式(12)計(jì)算得到的IGBT模塊的最高結(jié)溫與測試獲得的結(jié)溫進(jìn)行對比，從圖8中可以看出，不同損耗對應(yīng)的理論值與實(shí)驗(yàn)測試值均在4 ℃以內(nèi)，表明本文的損耗測試方法與工程實(shí)際較為吻合。

圖8 IGBT模塊最高結(jié)溫理論計(jì)算與測試對比

4 結(jié) 語

本文建立了IGBT功率損耗理論計(jì)算、參數(shù)測試、結(jié)溫預(yù)測及結(jié)溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等系統(tǒng)方法,通過雙脈沖測試，對不同負(fù)載、驅(qū)動(dòng)參數(shù)及環(huán)境條件下IGBT及二極管開關(guān)性能進(jìn)行測試?；谒@得的損耗并考慮芯片間熱耦合影響，建立了IGBT結(jié)溫預(yù)估數(shù)學(xué)模型，通過結(jié)溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了損耗模型及結(jié)溫模型的準(zhǔn)確性。本文的損耗模型及結(jié)溫模型對解決工程實(shí)際問題具有較高的參考價(jià)值。