王紅芳，涂文特

(貴州航天林泉電機有限公司，貴州貴陽550000)

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一種基于PTC的分立式IGBT溫度補償方法

王紅芳，涂文特

(貴州航天林泉電機有限公司，貴州貴陽550000)

摘要：在多數(shù)電機控制或電源控制器里，常采用分立式IGBT作為電機控制的功率器件。對IGBT正確的溫度估算能夠起到保護功率電路免于受損和避免控制器燒毀。通過RC模型公式推導(dǎo)出溫度變化率、電機相電流大小與IGBT結(jié)溫的變化關(guān)系，得到IGBT結(jié)溫的溫度補償公式的可行性，并設(shè)計相關(guān)試驗以獲取補償參數(shù)，該補償辦法可直接應(yīng)用于電機控制器中。

關(guān)鍵詞:分立式IGBT結(jié)溫PTC電機控制

0引言

分立式功率器件(MOSFET、IGBT)已廣泛用于電機控制、電源轉(zhuǎn)換、光伏逆變等場合。相對于集成模塊(帶結(jié)溫觀測)而言，分立式功率器件的結(jié)溫觀測對保護器件本身甚至預(yù)防控制電路燒毀等都有著重要的意義。熱敏電阻(PTC、NTC等)因其體積小、靈敏度高、價格低廉等優(yōu)點常用來作為監(jiān)測物體表面溫度的傳感器。

在功率電路的設(shè)計時，通常需要考慮到功率器件的散熱面積、散熱方式等其他熱設(shè)計條件。采用分布式矩陣法[1]可優(yōu)化功率器件的排布以降低芯片的最高結(jié)點溫度。通過搭建熱阻測試平臺測量功率器件導(dǎo)通壓降[2]方式可提取功率器件的動態(tài)熱阻曲線并提煉出熱模型。英飛凌公司采用IPOSIM仿真公式推導(dǎo)出功率管結(jié)溫[3]。在大多數(shù)應(yīng)用場合，功率器件的安裝受到基體形狀、環(huán)境條件等因素限制，只能通過PTC電阻測量安裝基體的溫度，需要采用合適的溫度補償辦法來推導(dǎo)出實際的功率管的結(jié)溫。目前常用的補償公式推導(dǎo)辦法有[4]：RC熱網(wǎng)絡(luò)法、數(shù)值模擬法(ICEPAK)、試驗驗證等，均有其優(yōu)缺點。RC熱網(wǎng)絡(luò)法通過搭建合適的等效RC電氣模型公式并通過Saber、Matlab等數(shù)學(xué)計算軟件計算出理論意義上的結(jié)溫變化公式，受到環(huán)境等不確定因素影響，模型比較難以確定。數(shù)值模擬法即通過ANSYS或者其他熱分析仿真軟件，搭建控制器三維結(jié)構(gòu)模型，進而分析各點的溫度分布，對于穩(wěn)態(tài)熱分析具有良好的依據(jù)作用。試驗驗證需要通過大量的試驗和耗費成本去得到可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。本文以公司某控制器為例，結(jié)合ICEPACK軟件和簡易RC模型公式，通過PTC作為傳感器，以電機相電流大小和基板溫度變化率為參考變量，建立溫度補償梯度公式，實現(xiàn)分立式IGBT管的結(jié)溫實時監(jiān)測。

1基礎(chǔ)理論

Zout=k×(1-e-t/τ)

(1)

由上式可知，在忽略瞬態(tài)熱阻以及散熱結(jié)構(gòu)等因素影響，IGBT(作為功率器件)結(jié)溫公式可寫成公式(2)，其中Ploss(t)代表功率器件的損耗總和(它是一個隨時間變化的參數(shù))，Tj代表IGBT結(jié)溫，To代表與IGBT接觸基體表面的實時溫度。計算方式也可參考文獻[3]。

Tj=Ploss(t)×Zout+To

(2)

2模型介紹

圖1　控制器結(jié)構(gòu)簡圖

以某電機控制器為例，控制器結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。其中6只分立式IGBT管依靠螺釘緊固在散熱母體上，散熱母體為某高速流體管道，功率管電路及工作方式為常見的兩電平SVPWM電路?？紤]到IP防護等級因素，控制器PCB板與IGBT功率管等為密封結(jié)構(gòu)，這里將控制器部分稱呼為上腔，流體部分稱呼為下腔。流體為-20℃-80℃強流速物質(zhì)，這里可認為當(dāng)下腔體流體處于運行狀態(tài)時腔體空氣散熱對腔體影響可忽略。PTC電阻安裝在上腔體與下腔體分界面上，因此IGBT結(jié)溫會受到下腔體流體溫度、IGBT功率損耗、工作時間三者影響，反應(yīng)到實際參數(shù)則為流體溫度Tfluent、電機相電流大小、控制器工作時間t。

3模型設(shè)計及數(shù)值模擬

3.1數(shù)學(xué)模型設(shè)計

由上述基礎(chǔ)理論分析可知，IGBT結(jié)溫與流體溫度、電機相電流、控制器工作時間息息相關(guān)。而考慮到流體為強對流介質(zhì)，其他因素對其影響可忽略不計。由于PTC安裝在上腔體內(nèi)，所以其溫度變化率可表征流體溫度與IGBT熱傳導(dǎo)的相互影響。電機相電流大小關(guān)系到IGBT管的功率損耗，可用其來表征IGBT管的功率損耗大小Ploss(t)。因此通過控制器檢測PTC的溫度變化率和相電流大小，可擬合出IGBT結(jié)溫變化曲線。因此這里可設(shè)定已知條件如下：

1)負載大小穩(wěn)定，即在某個階段，電機相電流大小保持不變。因此可知道實時IGBT管損耗；

2)忽略外界空氣溫度的影響；

3)上腔體與下腔體通過隔板的熱傳導(dǎo)傳遞函數(shù)均滿足公式(2)推導(dǎo)的公式。

根據(jù)公式(1)和公式(2)可知，在固定IGBT損耗的前提下，隨著流體溫度的變化，IGBT結(jié)溫可看成是兩者分別影響的和，函數(shù)關(guān)系如公式(3)所示。其中Tj代表IGBT結(jié)溫，kIGBT和kfluent代表IGBT功率損耗和流體熱傳導(dǎo)加權(quán)系數(shù)，TjIGBT和Tjfluent分別代表IGBT功率管和流體單獨作用與母板基體下IGBT結(jié)溫。

Tj=kIGBT*TjIGBT+kfluent*Tjfluent

(3)

IGBT結(jié)溫變化規(guī)律如圖2所示，由圖2可知，IGBT結(jié)溫基本上也滿足慣性環(huán)節(jié)的趨勢。因此對公式(2)進行求導(dǎo)可知，由于exp函數(shù)的導(dǎo)數(shù)也是exp函數(shù)，所以溫度的變化率也可以表征IGBT結(jié)溫的變化，因此通過檢測IGBT與流體接觸面上的溫度變化率，即可補償?shù)贸鯥GBT的實時結(jié)溫，控制器中采用PTC電阻檢測隔板的實時溫度。因此可建立模型如公式(4)所示，其中TjIGBT代表IGBT的結(jié)溫，TPTC代表PTC實時檢測到的隔板溫度，ΔTPTC代表隔板溫度的變化率，KT、Kphase(t)代表加權(quán)系數(shù)，Iphase代表電機相電流。由所建公式(4)可知，Iphase*Kphase(t)代表梯度(隨功率損耗即相電流變化梯度)穩(wěn)態(tài)值，TPTC+ΔTPTC*KT代表動態(tài)變化值，但Kphase(t)是一個隨工作時間而線性變化的參數(shù)。

圖2　IGBT結(jié)溫變化規(guī)律

TjIGBT=TPTC+ΔTPTC*KT+Iphase*Kphase(t)

(4)

通過以上分析，設(shè)計實驗如表1所示，并通過試驗可得出溫度變化率在IGBT結(jié)溫計算中的加權(quán)系數(shù)。

表1　溫度補償試驗記錄

圖3為相電流大小在10 A左右，溫度及溫度變化率實測曲線。得到的補償計算式為：

TjIGBT=TPTC+ΔTPTC×0.9+Iphase×0.023×t

圖3　某控制器3 NM恒載溫度監(jiān)測試驗

圖4　溫度計算流程

其中t為溫度變化過程的總時間和，當(dāng)ΔTPTC變成0時，其值不再變化?？刂破鳈z測溫度變化規(guī)律方法如流程圖(圖4)所示。

3.2仿真對比

首先在ICEPAK軟件中搭建簡化控制器模型，模型如圖5中左圖所示。假設(shè)流體流速為1 m/s的前提下，分別設(shè)計下腔體流體溫度從-20℃到+80℃和功率損耗從1 W到20 W之間變化。仿真結(jié)果圖(以某點為例)如圖5中右圖所示，從仿真結(jié)果可見，功率器件內(nèi)部溫度變化規(guī)律與上述公式(3)的推導(dǎo)基本相符。

圖5　流體為-10℃時ICEPAK仿真變化圖

4結(jié)論及展望

在多數(shù)伺服機構(gòu)或者驅(qū)動系統(tǒng)中，限于安裝位置、基體形狀等因素，功率器件的溫度檢測對于電路保護而言顯得特別重要。在缺乏內(nèi)置式溫度傳感器的前提下，如何通過外部熱敏傳感器器件建立溫度補償?shù)难芯烤哂袑嵺`意義。本文研究了如何通過PTC熱敏電阻建立溫度補償公式以補償某流體散熱控制器功率器件的實時結(jié)溫，具有較強的實用性。但本文在考慮溫度補償公式時，僅在設(shè)定器件功率損耗和忽略外界環(huán)境對控制器的穩(wěn)態(tài)線性前提下提出的，一定程度上代表了IGBT結(jié)溫的變化趨勢，但仍不能代表絕對的實時結(jié)溫，后續(xù)將需要繼續(xù)開展在動態(tài)環(huán)境以及各動態(tài)參數(shù)下功率器件溫度模型的搭建。

參考文獻

[1]何倩鴻,楊平,魏巍.二維多芯片組件的分布矩陣熱設(shè)計[J]. 中國機械工程,2012,23(8):897-899.

[2]陳明,汪波，唐勇.IGBT動態(tài)熱阻抗曲線提取實驗研究[J]. 電力電子技術(shù),2010,44(9):101-103.

[3]孫輝波,楊勇.電動車低速過載工況下IGBT動態(tài)溫升分析：第十七屆中國電動車輛學(xué)術(shù)年會論文集[C].2013.

A novel compensation method for discrete IGBT temperature monitoring based on PTC

WANG Hongfang，TU Wente

Abstract:In the majority of motor control or power controllers，discrete IGBT is commonly used as the power device of motor control. Proper temperature estimation of IGBT can protect the power circuit from damage and avoid burning down of the controller. This article first derives the relationship between temperature variation rate, the motor phase current, and the change of the IGBT junction temperature through RC model formula, then works out the feasibility of temperature compensation formula for IGBT junction temperature, and designs related test parameters for compensating parameters. This compensation method can be directly applied in motor controller.

Keywords:discrete IGBT；junction temperature；PTC；motor control

中圖分類號：TN322

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)01-0058-04