新能源汽車控制器IGBT動態溫升分析

黨艷輝，趙英軍，高乙棟，李莉莉

新能源汽車控制器IGBT動態溫升分析

黨艷輝，趙英軍，高乙棟，李莉莉

（深圳麥格米特電氣股份有限公司，廣東 深圳 518057）

針對電動汽車控制器的熱設計，需要考慮低輸出頻率情況下絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的溫升情況，從而防范IGBT在低輸出頻率工況下燒毀。由于IGBT低頻載荷工況為短時瞬態過程，實驗測試無法實現，故采用瞬態仿真驗證改進實際設計。論文針對采用水冷散熱的富士功率模塊進行瞬態仿真計算，對比了450 A工況下常規模式和輸出頻率為50 Hz、20 Hz、10 Hz、5 Hz和2 Hz情況下功率模塊IGBT的溫度響應情況。結果表明，隨著IGBT輸出頻率的降低，最高溫度逐步升高，其中5 Hz和2 Hz最高溫度分別為162 ℃和181 ℃，與常規模式相比分別提高了39 ℃和58 ℃。

新能源汽車；汽車控制器；IGBT；輸出頻率；瞬態仿真；散熱

在全球“雙碳”背景下，新能源汽車的發展已勢不可擋。絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）作為控制器的核心半導體器件，因其耗散熱流密度大、芯片封裝結構復雜，致使散熱不足，造成封裝模塊熱應力過大及材料疲勞失效，甚至燒毀芯片[1-3]，由于溫度過高導致元件失效率高達55%[4]。

電子設備的通用散熱方式包括空氣自然對流、強迫流體冷卻、冷板/熱管散熱、相變冷卻等。上述方式中，最差的散熱方式為空氣自然對流，難以滿足元件功率持續增加的需求[5]。而熱管和相變冷卻等技術成果還較高，因此，強迫空氣/液體冷卻技術能備受關注。林鑫等[6]通過水冷的IGBT仿真得到最優散熱模型；鄭鵬洲[7]對比分析了帶有不同翅柱形狀的IGBT液冷散熱器的散熱性能。KIMURA 等[8]研究結果表明直接液冷散熱器和間接液冷散熱器相比減少了30%的總熱阻，可以大幅度降低 IGBT 模塊的溫度。

本文采用強迫水冷方式對富士IGBT模塊進行散熱仿真，得到不同輸出頻率下IGBT動態溫升情況，合理設計IGBT散熱，保證足夠裕量。

1 理論方程

1.1 IGBT功率損耗計算方程

IGBT工作過程中損耗主要為開通損耗、關斷損耗、通態損耗和斷態損耗[9]。IGBT模塊為半導體，其自身存在電阻，產生焦耳熱即所謂的通態損耗。

式中，為 IGBT操作運行周期；為模塊的導通電流；CE(sat)為 IGBT電壓壓降；為功率損失。

IGBT 在開通和關斷的瞬間所產生的電能損耗即開關損耗，過程中所產生的波形圖積分可得開關損耗的大?。?/p>

式中，PWM為IGBT開關頻率。因此，IGBT總的功率損耗為

1.2 仿真控制方程

熱傳遞有熱傳導、熱對流和熱輻射3種傳遞方式[10]。IGBT模塊實際工況包含上述方式，但仿真分析過程中可忽略其中能量傳遞較弱方式。 IGBT模塊內部會產生大量的焦耳熱通過熱傳導傳遞。本文IGBT安裝在鋁制水冷板上采用強制水冷散熱。IGBT模塊一般極限工作溫度為150 ℃，而輻射傳熱在溫度大于500 ℃才較明顯，故忽略此部分效應。

根據以上傳熱導理論，含散熱結構IGBT模塊的仿真控制方程由熱傳導方程和包含了連續性方程、動量方程和附加能量守恒方程的納維斯托克斯方程構成。

熱傳導方程為

式中，為材料的導熱系數；為坐標軸方向；v為熱源密度；為材料溫度。

流場方程由質量方程、能量方程和動量方程這三個方程構成，質量方程為

動量方程：

能量方程：

式中，、、分別為流體沿方向、方向、方向的速度分量；分別為流體的溫度和壓力；、、p分別為流體的密度、動態黏度和比熱容。

2 簡化模型及邊界條件

2.1 簡化模型

本文功率管選用富士的功率模塊，型號為2MBI600VN-120-50，每個模塊內部采用2組管子并聯（IGBT和前輪驅動（Front Wheel Drive, FWD）），整個控制器采用3個模塊。模型如圖1所示。

圖1 IGBT模塊仿真模型圖

液冷板材料為鋁6063，通過機加工和攪拌摩擦焊接的方式做出，流道具體尺寸如表1所示。

表1 液冷板尺寸參數

流程外部結構尺寸（長×寬×高）/mm流道寬度/mm流道翅片尺寸（長×寬×高）/mm 4300×260×206200×1.5×8

選用材料中，IGBT芯片為硅，基板為銅，散熱器為鋁合金，各部位的具體材料屬性參數如表2所示。

表2 材料屬性參數

名稱密度/(kg/m3)導熱率/[W/(m?K)]比熱容/[kJ/(kg?K)] 銅硅8 9402 330401191395871 鋁60632 690201963

2.2 邊界條件

2MBI600VN-120-50的最大工作電流是600 A，考慮到實際的散熱條件，一般都會降額使用，這里以450 A為例，對其不同輸出頻率下的溫升進行分析。開關頻率5 000 Hz，導通電阻1.1 Ω，關斷電阻3.2 Ω，母線電壓540 V。

在這種工況下，IGBT單管平均損耗525.1 W，二極管單管平均損耗139.7 W，常規計算內部芯片的損耗不隨時間變化，而實際上不同輸出頻率的情況下，平均損耗雖然相同，但在單個工作周期內損耗是隨時間變化的。

考慮到計算時間問題，這里只對50 Hz、20 Hz、10 Hz、5 Hz、2 Hz和常規計算求解5 s（5 s的時間內結殼已經穩定），以此進行對比分析，如表3所示。

表3 不同模式下IGBT運行周期及其熱耗

計算模式周期/s熱耗/W 常規模式5.003 988.8 50 Hz0.023 988.8 20 Hz0.053 988.8 10 Hz0.103 988.8 5 Hz0.203 988.8 2 Hz0.503 988.8

選用體積比50%的乙二醇水溶液作為冷卻液，進口溫度為50 ℃，進口流量為10 L/min，外部環境溫度也為50 ℃。水道內部流速大約1.0 m/s，散熱翅片的對流換熱系數大約2 808 W/(m2?K)。

3 仿真結果分析

仿真結果如圖2—圖7所示。

不同載頻下溫度波動范圍如表4所示，從仿真結果可以看出，常規計算沒有考慮輸出頻率的影響，IGBT模塊損耗是按照平均損耗設定的，這種情況下，IGBT結溫是逐步升高的，但沒有出現上下波動，考慮輸出頻率的影響后，50 Hz的情況下，IGBT最高結溫比常規計算偏高，隨著輸出頻率的降低，最高溫度逐步升高，5 Hz的情況下最高溫度比常規計算溫度高39 ℃，2 Hz的情況下最高溫度比常規計算偏高58 ℃，所以在設計時要注意低速下的過溫保護工作。

圖2 常規模式單管溫度曲線

圖3 50 Hz單管熱耗及溫度曲線

圖4 20 Hz單管熱耗及溫度曲線

圖6 5 Hz單管熱耗及溫度曲線

圖7 2 Hz單管熱耗及溫度曲線

表4 不同載頻下溫度波動范圍 單位：℃

計算模式最后周期最低溫度最后周期最高溫度 常規模式123 50 Hz128140 20 Hz125144 10 Hz120151 5 Hz112162 2 Hz102181

4 結論

仿真過程中，常規的計算方法比50 Hz的溫度偏低，但是差別相對較小，不足以導致IGBT模塊熱失效，動態計算耗費時間基本上是靜態計算的10倍以上，考慮到計算時間問題，50 Hz以上輸出頻率的工況，可以參考常規計算方法，20 Hz以下輸出頻率的工況，差別逐漸增加，要區別對待，5 Hz以下IGBT結溫波動較大，例如在5 Hz的情況下，如果出現最大扭矩的工況，比如爬坡狀態下，電流450 A將有可能燒毀IGBT晶圓，所以要通過降低電流來對IGBT模塊進行保護，以保證控制器的可靠性。

[1] BORNOFF R, VASS-VARNAI A, BLACKMORE B, et al. Full-circuit 3D Electro-thermal Modeling of an IGBT Power Inverter[C]//2017 33rd Thermal Measur- ement, Modeling & Management Symposium.Piscata- way:IEEE,2017:29-35.

[2] 孫海峰,王亞楠.基于有限元方法的IGBT熱模型仿真[J].電力科學與工程,2019,35(6):15-22.

[3] 陳清.電動汽車IGBT模塊液冷散熱及封裝可靠性研究[D].重慶:重慶大學,2016.

[4] 高鳳良,黃雄峰,范虹興,等.基于流固耦合的大功率IGBT模塊散熱結構設計[J].電氣傳動,2022,52(9): 32-38.

[5] 唐強.IGBT元件熱管冷卻傳熱性能的實驗與數值研究[D].蘭州:蘭州交通大學,2013.

[6] 林鑫,應保勝,聶金泉,等.基于水冷的 IGBT 模塊散熱結構設計及優化[J].重慶理工大學學報（自然科學）,2021,35(6):73-79.

[7] 鄭鵬洲.采用高熱導率技術實現電動汽車和混合電動汽車用的高功率密度IGBT模塊[J].電力電子, 2013(3):41-45.

[8] KIMURA T,SAITOU R,KUBO K,et al. High-power- density Inverter Technology for Hybrid and Electric Vehicle Applications[J].Hitachi Review.2014,63(2): 96-102.

[9] 牛云華.基于ANSYS Workbench的電動汽車功率變換器冷卻技術仿真研究[D].西安:長安大學,2015.

[10] 楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.

Dynamic Temperature Rise Analysis of New Energy Vehicle Controller IGBT

DANG Yanhui, ZHAO Yingjun, GAO Yidong, LI Lili

( Shenzhen Megmeet Electrical Company Limited, Shenzhen 518057, China )

For the thermal design of electric vehicle controller, it is necessary to consider the temperature rise of insulated gate bipolar transistor (IGBT) at low output frequency to prevent the IGBT from burning out at low output frequency.Because the low frequency load condition of IGBT is a short-time transient process, the experimental test cannot be realized, so the transient simulation is used to verify and improve the actual design. In this paper, the transient simulation of Fuji power module with water-cooled heat dissipation is carried out, and the temperature response of the power module IGBT is compared between the conventional mode and the output frequency of 50Hz, 20Hz, 10Hz, 5Hzand 2Hz in 450 A working condition. The results show that with the decrease of IGBT output frequency, the maximum temperature gradually increases, among which the maximum temperature of 5Hz and 2Hz is 162 ℃ and 181 ℃ respectively, which is 39 ℃ and 58 ℃ higher than that of conventional mode.

New energy vehicle; Vehicle controller; IGBT; Output frequency; Transient simulation; Dissipate heat

TN322.8

A

1671-7988(2023)10-07-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.002

黨艷輝（1982—），男，碩士，工程師，研究方向為傳熱傳質，E-mail:dangyanhui@megmeet.com。