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)

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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模型公式推導出溫度變化率、電機相電流大小與IGBT結溫的變化關系，得到IGBT結溫的溫度補償公式的可行性，并設計相關試驗以獲取補償參數，該補償辦法可直接應用于電機控制器中。

關鍵詞:分立式IGBT結溫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、電源轉換、光伏逆變等場合。相對于集成模塊(帶結溫觀測)而言，分立式功率器件的結溫觀測對保護器件本身甚至預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、價格低廉等優點常用來作為監測物體表面溫度的傳感器。

在功率電路的設計時，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計條件。采用分布式矩陣法[1]可優化功率器件的排布以降低芯片的最高結點溫度。通過搭建熱阻測試平臺測量功率器件導通壓降[2]方式可提取功率器件的動態熱阻曲線并提煉出熱模型。英飛凌公司采用IPOSIM仿真公式推導出功率管結溫[3]。在大多數應用場合，功率器件的安裝受到基體形狀、環境條件等因素限制，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出實際的功率管的結溫。目前常用的補償公式推導辦法有[4]：RC熱網絡法、數值模擬法(ICEPAK)、試驗驗證等，均有其優缺點。RC熱網絡法通過搭建合適的等效RC電氣模型公式并通過Saber、Matlab等數學計算軟件計算出理論意義上的結溫變化公式，受到環境等不確定因素影響，模型比較難以確定。數值模擬法即通過ANSYS或者其他熱分析仿真軟件，搭建控制器三維結構模型，進而分析各點的溫度分布，對于穩態熱分析具有良好的依據作用。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據依據。本文以公司某控制器為例，結合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，實現分立式IGBT管的結溫實時監測。

1基礎理論

Zout=k×(1-e-t/τ)

(1)

由上式可知，在忽略瞬態熱阻以及散熱結構等因素影響，IGBT(作為功率器件)結溫公式可寫成公式(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)，Tj代表IGBT結溫，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　控制器結構簡圖

以某電機控制器為例，控制器結構簡圖如圖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功率管等為密封結構，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，這里可認為當下腔體流體處于運行狀態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，反應到實際參數則為流體溫度Tfluent、電機相電流大小、控制器工作時間t。

3模型設計及數值模擬

3.1數學模型設計

由上述基礎理論分析可知，IGBT結溫與流體溫度、電機相電流、控制器工作時間息息相關。而考慮到流體為強對流介質，其他因素對其影響可忽略不計。由于PTC安裝在上腔體內，所以其溫度變化率可表征流體溫度與IGBT熱傳導的相互影響。電機相電流大小關系到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結溫變化曲線。因此這里可設定已知條件如下：

1)負載大小穩定，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傳遞函數均滿足公式(2)推導的公式。

根據公式(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結溫可看成是兩者分別影響的和，函數關系如公式(3)所示。其中Tj代表IGBT結溫，kIGBT和kfluent代表IGBT功率損耗和流體熱傳導加權系數，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結溫。

Tj=kIGBT*TjIGBT+kfluent*Tjfluent

(3)

IGBT結溫變化規律如圖2所示，由圖2可知，IGBT結溫基本上也滿足慣性環節的趨勢。因此對公式(2)進行求導可知，由于exp函數的導數也是exp函數，所以溫度的變化率也可以表征IGBT結溫的變化，因此通過檢測IGBT與流體接觸面上的溫度變化率，即可補償得出IGBT的實時結溫，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)代表加權系數，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)穩態值，TPTC+ΔTPTC*KT代表動態變化值，但Kphase(t)是一個隨工作時間而線性變化的參數。

圖2　IGBT結溫變化規律

TjIGBT=TPTC+ΔTPTC*KT+Iphase*Kphase(t)

(4)

通過以上分析，設計實驗如表1所示，并通過試驗可得出溫度變化率在IGBT結溫計算中的加權系數。

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ΔTPTC變成0時，其值不再變化?？刂破鳈z測溫度變化規律方法如流程圖(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。假設流體流速為1 m/s的前提下，分別設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。仿真結果圖(以某點為例)如圖5中右圖所示，從仿真結果可見，功率器件內部溫度變化規律與上述公式(3)的推導基本相符。

圖5　流體為-10℃時ICEPAK仿真變化圖

4結論及展望

在多數伺服機構或者驅動系統中，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的研究具有實踐意義。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，僅在設定器件功率損耗和忽略外界環境對控制器的穩態線性前提下提出的，一定程度上代表了IGBT結溫的變化趨勢，但仍不能代表絕對的實時結溫，后續將需要繼續開展在動態環境以及各動態參數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計[J]. 中國機械工程,2012,23(8):897-899.

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

[3]孫輝波,楊勇.電動車低速過載工況下IGBT動態溫升分析：第十七屆中國電動車輛學術年會論文集[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