電動(dòng)壓縮機(jī)控制器IGBT的結(jié)溫估算*

周 仟黃 波范玉龍

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 上海 201620）（2.上海首智新能源科技有限公司 上海 201708）

1 引言

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種結(jié)合了功率場(chǎng)效應(yīng)管和雙極型功率晶體管結(jié)構(gòu)的復(fù)合型功率半導(dǎo)體器件［1］，是目前應(yīng)用最廣泛的全控型電力電子器件［2～3］。IGBT的工作特性受溫度影響很大［4～6］，IGBT的開(kāi)關(guān)速度、通態(tài)壓降、漏電流等性能參數(shù)都將隨溫度發(fā)生變化，同時(shí)芯片還受最高工作結(jié)溫的限制。研究表明：超過(guò)半數(shù)的IGBT失效都是由于溫度所導(dǎo)致的，而且在IGBT溫度每上升10度的時(shí)候，IGBT的失效率會(huì)提高一倍［7］。目前常見(jiàn)的結(jié)溫測(cè)量方式大體上分為兩種：直接測(cè)量和模型仿真［8］。浙江大學(xué)孫鵬飛提出了根據(jù)關(guān)斷延遲時(shí)間的結(jié)溫預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了IGBT功率模塊的結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)［9］。禹健等通過(guò)基于GA-BP算法選取了飽和式壓降和集電極電流作為熱敏參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)溫［10］。馬漢卿通過(guò)飽和壓降平臺(tái)提取飽和壓降作為熱敏感電參數(shù)，建立結(jié)溫預(yù)測(cè)模型估算結(jié)溫［11］。英國(guó)華威大學(xué)的Bryant A等提出了一個(gè)基于傅里葉級(jí)數(shù)的IGBT數(shù)學(xué)模型和一個(gè)基于封裝的3-D熱模型，進(jìn)而利用模型仿真實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)器件的結(jié)溫［12］。Xu Y Chen H等根據(jù)芯片散熱片的傳熱原理，通過(guò)熱流密度方程和邊界條件推導(dǎo)出IGBT的熱阻矩陣，進(jìn)而建立器件的熱網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)器件的結(jié)溫，最后與有限元方法的分析結(jié)果進(jìn)行比較，證明結(jié)溫預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性［13］。

2 IGBT模塊的功率損耗計(jì)算

2.1 IGBT模塊的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算

本論文采用Infineon AIKW50N60TA型號(hào)的IGBT作為研究對(duì)象。從AIKW50N60TA型的IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)可以查到結(jié)溫與開(kāi)關(guān)能耗的關(guān)系曲線［14］如圖1所示（在數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)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(kāi)關(guān)時(shí)的損耗合計(jì)在一起計(jì)算），圖中有三條能耗曲線，分別對(duì)應(yīng)著不同結(jié)點(diǎn)溫度下IGBT的開(kāi)通能量曲線EOn，關(guān)斷能量損耗曲線Eoff，以及模塊內(nèi)部FWD的反向恢復(fù)能量曲線Erec。

圖1 結(jié)溫與開(kāi)通損耗關(guān)系圖

通過(guò)這三條功耗曲線可以得到在固定的電壓V=400V和電流40A下，模塊對(duì)應(yīng)不同結(jié)溫（Tj）的損耗，但是在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT模塊的工作電壓和電流并不一定是額定值，所以仿真時(shí)必須利用合理的假設(shè)。依照Infineon、ABB等IGBT生產(chǎn)商對(duì)PWM功耗仿真的研究，可以認(rèn)為能耗值與電壓，相電流等變量近似符合線性關(guān)系［15］。通過(guò)圖1，可以得出其結(jié)溫與開(kāi)通關(guān)段時(shí)的能耗成線性關(guān)系，建立如式（1）所示的開(kāi)通能量模型。

式中：K1為電壓系數(shù)，IGBT運(yùn)行的實(shí)際電壓與額定電壓的比值；K2為電流系數(shù)IGBT運(yùn)行時(shí)的實(shí)際電流與額定電流的比值；Eon(Vce,Ic,Tj)為實(shí)際開(kāi)通能耗對(duì)應(yīng)結(jié)溫的曲線值；Eon_（Tj）為根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的標(biāo)準(zhǔn)參考電流電壓下擬合的開(kāi)通能耗對(duì)應(yīng)結(jié)溫的曲線值（如紅線）；Eon factorTj為擬合開(kāi)通損耗曲線的斜率，通過(guò)標(biāo)定獲得。Ic為實(shí)際電流，Ic_ref為參考電流，Vce為實(shí)際母線電壓，Vce_ref為參考母線電壓。Eon25℃為擬合曲線的截距。

同理，對(duì)于IGBT的關(guān)斷損耗，也可以得到類似模型。

Eoff(Vce,Ic,Tj)實(shí)際關(guān)斷能耗對(duì)應(yīng)結(jié)溫的曲線值，Eoff（Tj）為數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的參考電流電壓下擬合的關(guān)斷能耗對(duì)應(yīng)結(jié)溫的曲線值。Eoff factorTj為擬合開(kāi)通損耗曲線的斜率，Eoff25℃為擬合曲線的截距。

2.2 IGBT和FWD的導(dǎo)通損耗計(jì)算

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)上查到Infineon AIKW50N60TA型號(hào)的IGBT模塊IGBT部分和FWD部分25℃和175℃下的電流與導(dǎo)通壓降的關(guān)系數(shù)據(jù)，如表1所示。控制器采用驅(qū)動(dòng)電壓15V驅(qū)動(dòng)，圖2為表1數(shù)據(jù)經(jīng)線性插值得到的實(shí)際導(dǎo)通電流與導(dǎo)通壓降關(guān)系曲線。

表1 IGBT通態(tài)壓降

根據(jù)分析可以得到IGBT的通態(tài)能量損耗模型：

Econd(Vce，Ic,Tj)為實(shí)際IGBT通態(tài)損耗；P(Ic,Tj,Vce)為實(shí)際IGBT導(dǎo)通功率損耗Vce(IC,Tj)通過(guò)圖2曲線得到的實(shí)際導(dǎo)通壓降。

圖2 IGBT實(shí)際導(dǎo)通時(shí)電流與導(dǎo)通壓降曲線

同理可以得到FWD的導(dǎo)通損耗模型：

表2 FWD通態(tài)壓降

圖3 FWD實(shí)際電流與導(dǎo)通壓降曲線

3 熱網(wǎng)絡(luò)模型的搭建

本文采用3階Foster網(wǎng)絡(luò)來(lái)計(jì)算IGBT的結(jié)溫，由于IGBT的封裝結(jié)構(gòu)可以知道IGBT和二極管共用一個(gè)散熱設(shè)備，本文不考慮兩者之間的相互影響，可以得到如下的等效熱路圖。Rt?_IGBT為IGBT內(nèi)部的熱阻，Ct?_IGBT為IGBT內(nèi)部熱容。

如圖4所示：Rt?_IGBT與Rt?_FWD分別為IGBT與FWD芯 片 到 基 板 的 熱 阻，Ct?_IGBT和Ct?_FWD分別為IGBT與FWD芯片到基板的熱容；Rt?_amb1和Rt?_amb2為 基 板 到PCB板 的 熱阻，Ct?_amb1和Ct?_amb2為 基 板 到PCB板 的 熱容。

圖4 等效熱網(wǎng)絡(luò)圖

4 結(jié)溫的計(jì)算

IGBT的結(jié)溫Tj值由總的功率損耗p(t)，散熱功率p1(t)與IGBT等效熱網(wǎng)絡(luò)熱阻抗確定。公式如下：

1）通過(guò)控制器采樣的相電流，母線電壓和PCB板的溫度采樣的數(shù)據(jù)，計(jì)算出功率的損耗p(t)，通過(guò)熱網(wǎng)絡(luò)模型中的熱阻熱容計(jì)算出散熱功率損耗所帶來(lái)的溫升，再加上Tcase的溫度得出結(jié)溫Tj。

2）通過(guò)Tj的數(shù)值計(jì)算出當(dāng)時(shí)的IGBT和FWD各自的輸出損耗，通過(guò)環(huán)境的熱阻熱容，計(jì)算出Tcase的溫度，形成一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)，使得Tj和Tcase相互影響，相互校驗(yàn)補(bǔ)償。

5 熱阻參數(shù)的確定

第一步：先根據(jù)手冊(cè)上的熱阻熱容的值賦予模型參數(shù)運(yùn)行，此時(shí)溫度采集器開(kāi)始采集IGBT基板的溫度。在壓縮機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，應(yīng)該進(jìn)行變工況測(cè)試，將不同工況都進(jìn)行記錄。

第二步：記錄完數(shù)據(jù)后，將控制器和溫度采集器采集到的基板溫度，和控制器的相電流，母線電壓，PCB板的溫度的采樣值，導(dǎo)入workspace中。

第三步：運(yùn)行Matlab的參數(shù)辨識(shí)模塊進(jìn)行辨識(shí)，擬合輸入數(shù)據(jù)波形，系統(tǒng)會(huì)采用非線性最小二乘法進(jìn)行辨識(shí)迭代出有一組新的參數(shù)。

第四步：將辨識(shí)出來(lái)的參數(shù)寫(xiě)進(jìn)軟件。重新實(shí)驗(yàn)。通過(guò)INCA觀測(cè)標(biāo)定。

圖5 仿真模型圖

6 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果及分析

6.1 參數(shù)辨識(shí)結(jié)果

圖6 參數(shù)辨識(shí)曲線圖

圖7 參數(shù)辨識(shí)新參數(shù)值

深色線為基板辨識(shí)曲線，淺色為實(shí)際采集到的基板溫度，以辨識(shí)的參數(shù)為基礎(chǔ)，修改標(biāo)定后具體標(biāo)定溫度參數(shù)如表3所示。

表3 標(biāo)定溫度幾何參數(shù)表

6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖8所示，Tcase-m線為溫度采集器實(shí)際采樣的基板Tcase溫度，Tcase-e線為基板軟件仿真觀測(cè)的數(shù)據(jù)，Tj線為IGBT結(jié)溫。從圖上看，在PCB板上的溫度采樣的值較低，與實(shí)際采到IGBT基板的溫度相差較大，所以也驗(yàn)證了IGBT結(jié)點(diǎn)溫度估算的必要性。從圖上看，估算的和實(shí)際的基板溫度及其接近，上升段溫度最大誤差不會(huì)超過(guò)5℃，驗(yàn)證了Tj的精確度。滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

7 結(jié)語(yǔ)

本文采用的一種IGBT結(jié)溫估算的方法，IGBT失效的主要原因是由于高溫導(dǎo)致應(yīng)力較大，且標(biāo)定在低溫段的效果不怎么理想，但不影響。由于主要針對(duì)與高溫段的估算，由于在運(yùn)行時(shí)只能采集到PCB板溫度和電路電壓值和電流值，所以通過(guò)能耗模型和熱網(wǎng)絡(luò)組合，并采用參數(shù)辨識(shí)的方法確定相關(guān)參數(shù)的參考值，再通過(guò)標(biāo)定的方法，得到具體的模型參數(shù)。從實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果看通過(guò)溫度采集器采集的IGBT基板實(shí)際溫度與仿真計(jì)算的基板溫度在高溫段極其接近，從而驗(yàn)證了Tj估算的精準(zhǔn)度。