IGBT器件穩態及瞬態熱模型仿真分析

宋飛, 梁哲興, 張偉

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

電力電子技術的發展日新月異，越來越多的電力電子產品被應用到船舶、礦山、車輛等行業領域。

隨之而來的是電力電子產品的體積和重量等問題。體積和重量過大會嚴重限制電力電子產品的使用場合，降低產品的市場競爭力；體積和重量過小則會導致產品發熱、可靠性降低等嚴重問題。

決定電力電子產品體積、重量的首要因素就是功率器件熱損耗，熱損耗計算的主要約束條件就是功率器件的結溫[1]。在以往很多產品設計過程中功率器件損耗的計算大多是采用等效方法、經驗公式等手段，并未深入分析基波頻率、開關頻率、器件熱抗等因素所引起的功率器件結溫的變化[2,3]。

如何精確計算電力電子設備的損耗、準確選擇散熱器，是電力電子產品研發人員準確設計產品體積和重量的必要條件。

本文以108 T電動輪牽引變頻器為例，對電力電子設備中功率器件IGBT的損耗、穩態結溫、瞬態結溫等參數進行深入分析，論述了一種更加精確的確定功率器件損耗及結溫的方法。

1 功率器件損耗及其計算方法

在電力電子器件的應用中，IGBT和二極管主要工作在開關狀態，并周期性地經歷各種靜態和瞬態的狀態。而在每一個狀態中，都會產生一部分功率損耗或能量損耗。這些功率損耗相加，即為開關器件的總功耗，該功耗會導致器件發熱。因此，在應用半導體器件時，應準確計算功率器件損耗，使變流器在任一運行狀態下均不得超過由制造商所給出的最大允許結溫[4]。

圖1列出了功率器件在開關運行狀態下各項可能發生的功耗。

一般來說，IGBT的正向截止損耗、驅動回路的損耗、續流二極管的截止損耗在總損耗中所占比例較小，可忽略不計。

本文以108T電動輪牽引變頻器為例，下圖顯示了其中1相電路的理想特性曲線[5]。

通過忽略一些次要因素，簡化后可得損耗計算公式如下：

IGBT通態損耗：

二極管通態損耗：

IGBT開關損耗：

二極管開關損耗：

2 熱阻和熱抗

通常情況下，我們在進行 IGBT損耗及結溫計算分析時，各環節熱阻及溫差如下圖所示：

IGBT結溫可用公式（5）表示：

上圖所示并沒有準確反映當損耗以周期性脈沖形式（方波/正弦半波）存在時，IGBT模塊的熱阻瞬態變化。我們可從如下圖所示的IGBT熱抗曲線來準確描述IGBT瞬態熱阻。

從上述曲線中的數據可進一步將 IGBT熱抗等效為如下圖：

圖中所示的 RC元件并不是真實的反映熱傳導的物理過程，該參數只是用來等效表明芯片的功率流和溫度流。其中熱阻R是一個穩態參數，可以反映芯片的靜態物理特性參數。電容替代了真實的物理單元，它可以反映實際元件的熱容量。

IGBT的結殼熱阻及熱抗可用下式表示：

3 熱傳遞模型

考慮到 IGBT的等效熱抗后簡化熱傳遞框圖如下：

上述框圖用公式表示如下：

續流二極管考慮熱抗時熱傳遞框圖同上。利用Matlab建立仿真模型如下圖。

仿真參數：基波頻率32.5 Hz，IGBT平均總損耗324 W，二極管平均總損耗162 W，IGBT引線損耗 9 W，環境溫度 55°，IGBT型號FF1000R17IE4，IGBT熱抗參數如表 1。因本文僅研究IGBT熱抗對結溫的影響，故在此只考慮散熱器的等效熱阻。

穩態結溫仿真模型只需將熱抗中的熱容取消即可。

4 穩態及瞬態結溫仿真分析

利用上述模型，在總損耗不變，只改變基波頻率時，進行仿真得到IGBT結溫如下圖。

從上圖可看到，IGBT在不同基波頻率時結溫及其波動大小如下表所示

結合 108T電動輪牽引電機工況曲線（圖 8），考慮到 IGBT熱抗時的瞬態溫升仿真結果如圖 9所示。仿真參數：開關頻率2 kHz，直流母線電壓1060 VDC。

從上圖可看出，牽引電機在低速區具有轉矩大、頻率低等特點。采用固定開關頻率時，在低速時變頻器輸出電流大，牽引變頻器IGBT在啟動時結溫偏高，達到約 137℃。由于 IGBT開關損耗占總損耗的比例較大，故在低頻時對 IGBT開關頻率進行優化，仿真結果如下。

從上圖可以看出，在低頻時采用優化開關頻率后，低速工況時，牽引變頻器IGBT損耗及結溫大大降低，結溫最高值降低到約98°，大大提高了設備的可靠性。

在本項目中所使用的 IGBT的設計最大使用結溫在考慮一定的安全系數后為150°。采用優化開關頻率后，使用相同的散熱器時IGBT結溫存在很大裕量，證明該散熱器體積、重量仍有減小空間。該研究內容將在后續工作中進行。

5 結語

本文針對108 T電動輪牽引變頻器中IGBT的損耗及結溫進行了計算及仿真。指出了在牽引變頻器在啟動及低速工況時應考慮IGBT的熱抗及其瞬態溫升，搭建了IGBT瞬態及穩態傳熱模型，對IGBT的損耗及結溫進行了仿真及分析。

利用本文提出的設計方法可以幫助電力電子研究領域的人員準確掌握變頻器功率器件的損耗及溫升情況，更加精確的設計變頻的體積、重量，提高產品的市場競爭力，具有較大的參考意義。

[1] Srajber D. The Calculation of power dissipation for the IGBT and the inverse diode in circuits with sinusoidal output voltage, Electronica’92, München,Conf.-Proc.

[2] A. Laprade, G. Bober, R.H. Randall. A numerical method for evaluating current, voltage and temperature dependant IGBT switching and conduction losses, PCIM‘99-CD-ROM-Proceedings.

[3] Yun ChanSu, P. Regli, J. Waldmeyer, W. Fichtner.Static and dynamic thermal characteristics of IGBT power modules, ISPSD‘99, Toronto, 1999.

[4] 胡建輝,李錦庚,鄒繼斌等. 變頻器中的IGBT模塊損耗計算及散熱系統設計[J]. 電工技術學報, 2009,24（3）:159～163.

[5] U.尼古萊, T.雷曼, J.裴措爾. 功率模塊應用手冊. 賽米控國際公司, 2003.