聊聊IGBT功率模塊的結(jié)溫計算及其模型

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1.簡介

（電機控制）器的（功率模塊），即（IGBT）器件和續(xù)流（二極管），在開關(guān)和導(dǎo)通電流會產(chǎn)生損耗，損失的能量會轉(zhuǎn)化成熱能，表現(xiàn)為功率模塊發(fā)熱。（電機）（控制器）功率模塊的可靠性和壽命極大地受到工作結(jié)溫Tj的影響。雖然IGBT和二極管的PN結(jié)溫度無法直接測量，但可以通過間接的測量和計算來獲取。當(dāng)前，電機控制器功率模塊結(jié)溫的計算已成為大家普遍關(guān)注的焦點。下面我們來聊聊功率模塊的結(jié)溫計算及其模型。

對于功率模塊中每個IGBT和二極管，損耗熱功率都來自結(jié)，其值最高。它的瞬時值等于IGBT或二極管的IxV乘積。熱量流過結(jié)構(gòu)的熱阻抗并散發(fā)到周圍環(huán)境中。其熱阻抗越低，結(jié)溫與周圍環(huán)境溫度的差值越小。采用熱等效回路模型來描述功率模塊器件的熱行為，如下圖1：

2.功率模塊IGBT結(jié)溫計算電機控制器功率模塊的結(jié)溫取決于IGBT（晶體管）和續(xù)流二極管的損耗，因此，根據(jù)熱等效回路，我們分別計算出IGBT結(jié)溫Tj,IGBT和續(xù)流二極管的結(jié)溫Tj,（Diode）,如下：

其中：

備注：IGBT晶體管和續(xù)流二極管的損耗的計算，請參考“新能汽車電機控制器功率模塊IGBT損耗的計算及其模型”。

對于熱阻抗的計算，我們可以采用分層熱模型分析傳熱過程。利用功率器件（即IGBT和二極管）的PN結(jié)的損耗送入分層熱模型并與周圍靜態(tài)溫度（即冷卻液溫度）來做比較，就可以計算出結(jié)溫的動態(tài)變化。下面來介紹兩種熱模型，即π型熱等效回路和Cauer型熱等效回路，如圖2和圖4所示.

π型熱等效回路：根據(jù)實際的物理層和材料沒有關(guān)系，適合通過計量測定熱阻和阻抗，如圖2.使用π模型沒有必要知道確切的材料參數(shù)。Rth-Cth（耦合）的數(shù)目取決于測量點的數(shù)量。Cauer型熱等效回路：根據(jù)功率模塊器件的實際物理層和材料直接建立模型，這個模型需要精確的材料參數(shù)，特別是相關(guān)層的橫向熱傳參數(shù)。所需Rth-Cth耦合的數(shù)目可以根據(jù)圖3功率模塊器件的結(jié)構(gòu)布置的設(shè)計而定。

圖2.π型熱等效回路

圖3.IGBT模塊示意圖

圖4.Cauer型熱等效回路

對于熱阻抗Zth,IGBT~~àIGBTandZth,Diode~~àDiode可以通過π型熱等效回路來確定。圖3π型熱等效回路可視作由4個Rth-Cth耦合并行組成，定義為PTTH單元，即Rth-Cth耦合（濾波器），PTTH單元的離散實現(xiàn)方程式如下，具體推導(dǎo)過程可參考“（新能源）汽車電機控制器溫度計算及其模型—（DC）（電容）篇”，可知：

根據(jù)上述公式，可建立PTTH單元的（simulink）模型如下圖5.

圖5,PTTH單元（sim）ulink模型

現(xiàn)根據(jù)公式（2-1）和（2-2），定義如下：

根據(jù)π型熱等效回路可得：

將公式（2-5）離散化，離散化過程可參考公式（2-3），（離散后的公式這里就不再具體列出），可參考△Tj,IGBT->IGBT計算的Simulink模型如下圖6。

圖6，△Tj,IGBT->IGBT計算的Simulink模型

同理，可建立△Tj,diode->diode計算Simulink模型如下圖7所示：

圖7.△Tj,Diode->Diode計算的Simulink模型

對于熱阻抗Zth,IGBT~~àDiode和Zth,Diode~~àIGBT可以通過Cauer型熱等效回路來確定。圖4Cauer型熱等效回路可視作由4個Rth-Cth耦合串行組成，可得：

因此，復(fù)用PTTH單元Simulink模型，可見，建立△Tj,Diode->IGBT和△Tj,IGBT->Diode的計算模型,如圖8和圖9所示。

其中:

圖8.△Tj,IGBT->Diode計算的Simulink模型

圖9.△Tj,Diode->IGBT計算的Simulink模型

根據(jù)公式（2-1）和（2-2），我們可得到IGBT的結(jié)溫和續(xù)流二極管的結(jié)溫，其兩者中較大者定義為電機控制器功率模塊最高結(jié)溫。如圖9.

圖10.電機控制器功率模塊結(jié)溫的Simulink模型。

下面逐一分析輸入：

關(guān)于IGBT晶體管和續(xù)流二極管的損耗的計算，請參考“新能源汽車電機控制器功率模塊IGBT損耗的計算及其模型”

關(guān)于冷卻液，如果冷卻液溫度變化非常快，則功率模塊的溫度也會以相同的方式變化。為了防止這種情況，用于計算（元器件）溫度的冷卻液溫度也需通過低通濾波器進行過濾。另外，還需考慮功率模塊損耗引起的溫升。

關(guān)于熱阻Rth、熱容Cth和熱阻抗Zth可以通過FEA（仿真）來獲取，在實際工程應(yīng)用時，可以根據(jù)計算出的結(jié)溫和實際的結(jié)溫來做比較，從而修正對應(yīng)的熱阻Rth、熱容Cth。其中實際的結(jié)溫可以通過校準(zhǔn)曲線來確定。校準(zhǔn)曲線可按以下方式獲取：

利用外部熱源加熱被測模塊，然后讓模塊通過很小的測量（電流）Iref,記錄此時的飽和電壓UCEsat，所選的Iref應(yīng)該足夠小，這樣損耗足夠小就可以忽略模塊的自加熱。在不同溫度下重復(fù)上述過程，可得函數(shù)UCEsat=f(Tj,Iref)的校準(zhǔn)曲線，如圖11所示。

圖11.UCEsat=f(Tj,Iref)的校準(zhǔn)