調(diào)制方式對電動熱泵壓縮機控制器IGBT 溫度影響*

周 仟 黃 波 范玉龍

（上海工程技術(shù)大學(xué) 上海 201620）

1 引言

隨著新能源汽車在汽車市場所占比重的增加，其續(xù)航里程成了目前消費者主要關(guān)注的方向。與傳統(tǒng)的燃油車不同，新能源沒有發(fā)動機，所以在冬季制熱時，沒有熱量的來源，只能依靠汽車電池包給PTC供電加熱，根據(jù)文獻［3］研究，幾乎一半電池包的電量被用來冬季PTC制熱，續(xù)航里程縮短了一半［3］。電動熱泵壓縮機不需要熱量來源，原理與水泵相似，基于逆卡諾原理將空氣中的熱量搬到室內(nèi)，實現(xiàn)制熱，不需要通過電池包加熱，有效地增加了續(xù)航里程。作為電動熱泵壓縮機的大腦，控制器的安全性，直接影響著駕駛員的安全。IGBT 作為主要的功率器件，它的安全直接關(guān)系到控制器的安全。根據(jù)研究表明大約60%的IGBT 永久性的實效是由溫度導(dǎo)致［4］。IGBT 溫升主要是由于內(nèi)部損耗引起，有效減小IGBT 模塊內(nèi)部損耗，能夠降低IGBT模塊溫度，保護IGBT的安全。

2 不同調(diào)制方式損耗分析

SVPWM 根據(jù)調(diào)制方式的不同主要分為：兩相調(diào)制和三相調(diào)制。兩相調(diào)制主要指三相中的兩相參與調(diào)制，其余相恒高或恒低。三相調(diào)制指UVW三相都參與調(diào)制。表1 描述了三相調(diào)制和兩相調(diào)制的開關(guān)順序和每個基本空間矢量的作用時間。通過對比，我們可以發(fā)現(xiàn)在同一周期內(nèi)，一個扇區(qū)三相調(diào)制上升和下降沿一共6 個，兩相調(diào)制上升沿和下降沿一共4個（每個上升沿和下降沿表示IGBT開通與關(guān)斷）。

表1 兩種調(diào)制方式時間及開關(guān)次數(shù)對比

圖1 為示波器在電動熱泵壓縮機穩(wěn)定運行時采集到的相電流波形，從圖上看，兩種調(diào)制方式調(diào)制出的相電流波形相差不大，不影響控制。從開關(guān)次數(shù)上看，兩相調(diào)制比三相調(diào)制在開關(guān)次數(shù)上確實會少很多。

圖1 兩種調(diào)制電流對比

3 調(diào)制方式對IGBT損耗的影響

3.1 調(diào)制方式對IGBT開關(guān)損耗影響

1）三相調(diào)制的開關(guān)損耗計算

根據(jù)文獻［1］所述，以第一扇區(qū)為例，在與第一扇區(qū)相關(guān)的基本空間矢量有U4，U6，U7/0開關(guān)損耗主要是由電壓和電流重合所引起的。本文采用三相電機，每相相差120°，在一個周期內(nèi)一共包含三相的損耗，且在相同工況下，如若流過IGBT電流電壓不變，我們可以認為每相開關(guān)一次產(chǎn)生的開關(guān)損耗相同（在數(shù)據(jù)手冊提供的開關(guān)損耗計算參考值中包含了FWD 的反向恢復(fù)損耗，所以模型將IGBT 和FWD 在開關(guān)時的損耗合在一起計算）。通過文獻［2］和文獻［5］，我們可以總結(jié)出IGBT 模塊損耗計算公式：

通過上述，我們可以得出IGBT 每相總的開關(guān)損耗公式如下：

由上述所知，每相在開關(guān)一次的所產(chǎn)生的損耗相同，可以得到總的開關(guān)損耗為

Eon_nom為25℃時開通能量損耗；Eoff_nom為25℃時關(guān)斷能量損耗；Tj為IGBT 結(jié)溫；Eon factorTj為數(shù)據(jù)手冊中開通能耗曲線擬合斜率Eoff factorTj為數(shù)據(jù)手冊中關(guān)斷能耗曲線擬合斜率。K1為IGBT運行的實際電壓與額定電壓的比值；K2為IGBT運行時的實際電流與額定電流的比值。

2）兩相調(diào)制的開關(guān)損耗計算

從表1 上看：我們可以得到在開關(guān)特性圖上，三相中的U相為恒開狀態(tài)，所以這一項不會產(chǎn)生開關(guān)損耗。由于是在系統(tǒng)穩(wěn)定的時候來比較兩相調(diào)制與三相調(diào)制對開關(guān)損耗的影響，所以每相開關(guān)一次時產(chǎn)生的損耗相同，我們可以得到一個周期內(nèi)的損耗計算公式為

通過對比我們可以發(fā)現(xiàn)三相調(diào)制相比于兩相調(diào)制在單個周期內(nèi)相差了三分之一的開關(guān)損耗，總的開關(guān)損耗相差為fswE總。

3.2 調(diào)制對導(dǎo)通損耗影響

IGBT 導(dǎo)通損耗的大小與流過IGBT 的電流，導(dǎo)通壓降和占空比相關(guān)。根據(jù)文獻［10］可知導(dǎo)通壓降Vce大小與流過其內(nèi)部的電流大小相關(guān)，在一定程度上可以認為導(dǎo)通壓降與電流成線性關(guān)系，所以飽和壓降的表達式為

本文采用SVPWM 控制，可以得到此時的相電流時域表達式為

當采用兩相調(diào)制時，UVW 三相中有一相恒高或者恒低，此時我們可以計算出每一相的作用時間。根據(jù)文獻［15］可知，當目標向量落在各自扇區(qū)，根據(jù)矢量合成法則，可以得到基本矢量作用時間如下等式：

本文以U相的IGBT為研究對象，根據(jù)表1我們可以得到U相在第一扇區(qū)的導(dǎo)通占空比為

結(jié)合式（8）～（9）我們可以計算出其余扇區(qū)中U相占空比并匯總得：

同理我們可以得到三相調(diào)制下占空比表達式［6］：

φ為電壓超前電流相位；m為調(diào)制比。

本文針對單個IGBT 模塊進行研究，根據(jù)IGBT的工作特性，我們可以得到：單個IGBT的作用時間為半個周期，此時的導(dǎo)通損耗計算可以表示為

將三相調(diào)制占空比代入式（12）得［6］：

由于在一個周期內(nèi)，IGBT 和FWD 的導(dǎo)通占空比加起來是1，所以我們可以計算出FWD的導(dǎo)通損耗［6］：

將兩相調(diào)制的占空比帶入計算得：

通過上述計算結(jié)果我們可以得出：在一個電流周期內(nèi)，不管采用哪種調(diào)制方式，當系統(tǒng)穩(wěn)定后，IGBT 模塊導(dǎo)通損耗的大小與單個電流周期內(nèi)時間沒有關(guān)系，和電壓超前角相關(guān)。

3.3 理想PMSM電機仿真

根據(jù)文獻［1］搭建理想電機模型，如圖2所示。

圖2 理想電機仿真模型

設(shè)定電機轉(zhuǎn)速為3000rpm，母線電壓為330V，軟件的開關(guān)頻率為10K，模型SVPWM 模塊中可以通過標定來切換調(diào)制方式（如圖3所示）。

圖3 SVPWM占空比計算模塊

兩種調(diào)制方式下仿真波形如表2所示。

從表2 仿真波形數(shù)據(jù)中我們可以發(fā)現(xiàn)（當采用兩相調(diào)制時SW5flg 的數(shù)值為1，即每張波形圖都有體現(xiàn)），三相調(diào)制和兩相調(diào)制不會對相電流和IGBT導(dǎo)通損耗的大小產(chǎn)生影響，也驗證了上節(jié)中導(dǎo)通損耗的大小與單次導(dǎo)通時間無關(guān)。

4 實驗結(jié)果與分析

基于文獻［9］中Simulink 仿真軟件搭建結(jié)溫估算模型如圖4 所示，可以知道不同的調(diào)制方式在相同工況下IGBT 產(chǎn)生總損耗大小不同，進而IGBT 總的散熱功率發(fā)生變化，造成IGBT 內(nèi)部溫升的大小發(fā)生改變，導(dǎo)致IGBT 模塊的內(nèi)部結(jié)溫也會發(fā)生變化。

圖4 結(jié)溫估算模型［9］

為了驗證不同調(diào)制方式對IGBT模塊溫度的影響，進行實機實驗，先將壓縮機驅(qū)動在一個穩(wěn)定的0.3Mpa～1.5Mpa 的工況，平穩(wěn)運行半小時后，開始進行標定，將兩相調(diào)制與三相調(diào)制相切換，最后發(fā)現(xiàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同調(diào)制溫度數(shù)據(jù)

從數(shù)據(jù)上看，當黃色曲線代表的Iq數(shù)值不發(fā)生向上趨勢變化時，我們認為此時壓縮機處于平衡狀態(tài)。在外部負載不變的情況下，更改標定切換調(diào)制方式（如圖紅色曲線7T5SW_flg 為1 時是兩相調(diào)制，值為0 是三相調(diào)制），可以看出綠色曲線所代表的母線功率DCHipower有明顯的下降，此時采樣的PCB 的溫度（橙色曲線）有明顯下降，下降了5.7℃。從IGBT 結(jié)溫估算模型［9］中可以推出：當PCB溫度下降，Tcase溫度會下降，進而Tj溫度也會有下降趨勢。

5 結(jié)語

本文基于SVPWM 矢量控制為基礎(chǔ)，分析了三相調(diào)制和兩相調(diào)制對IGBT 模塊的損耗的影響，并對兩種調(diào)制方式下IGBT模塊溫度進行了分析。通過研究發(fā)現(xiàn)，三相調(diào)制的總損耗大于兩相調(diào)制，損耗差異在開關(guān)損耗上，導(dǎo)通損耗大小不會發(fā)生變化。從溫度上看，三相調(diào)制下的IGBT 模塊溫度要高于兩相調(diào)制控制下溫度。