功率單元電熱性能仿真研究

王哲鈺 李敏 劉志強(qiáng)

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

1 前言

發(fā)展電動(dòng)汽車是解決能源與環(huán)境危機(jī)的重要途徑之一[1-3]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，直接決定電動(dòng)汽車的性能。功率器件損耗和逆變器效率影響電驅(qū)系統(tǒng)能量傳遞，因此在電驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中對功率單元進(jìn)行電熱性能仿真，獲取功率模塊損耗和逆變器效率，可以對系統(tǒng)設(shè)計(jì)起到驗(yàn)證和指導(dǎo)作用。

Saber 是一款多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品，可用于電源變換器設(shè)計(jì)、伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)字模擬數(shù)模混合電路仿真等研發(fā)場景，在汽車、航空、船舶、消費(fèi)電子等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4-6]。絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semicon?ductor Field Effect Transistor，MOSFET）等功率器件作為電動(dòng)汽車逆變器的重要組成部分，器件模型對逆變器性能仿真效果起到關(guān)鍵作用，精準(zhǔn)且快速地搭建出功率器件模型是逆變器性能仿真成功的關(guān)鍵。

本文基于Saber 軟件平臺(tái)，搭建電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)仿真模型，包含功率模塊、永磁同步電機(jī)、空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）控制算法等，實(shí)現(xiàn)特定工況條件下功率單元的性能仿真，針對仿真結(jié)果分析評價(jià)系統(tǒng)性能，并結(jié)合MATLAB生成效率MAP和損耗MAP。

2 逆變器系統(tǒng)電路原理

2.1 電路原理

電驅(qū)系統(tǒng)閉環(huán)控制的電路原理如圖1所示。

電驅(qū)系統(tǒng)采用矢量控制策略，給定電機(jī)轉(zhuǎn)矩，采集轉(zhuǎn)矩反饋、電流反饋、電機(jī)位置反饋等參數(shù)，經(jīng)過閉環(huán)控制輸出兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的給定電壓Uα、Uβ[7]，經(jīng)過空間矢量脈寬調(diào)制得到6路功率器件控制信號，輸入智能功率單元實(shí)現(xiàn)對逆變器內(nèi)功率器件的控制，智能功率單元的輸出為永磁同步電機(jī)的相電流、相電壓，最終實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制。

進(jìn)行功率單元電熱性能仿真時(shí)主要關(guān)注功率模塊的電流能力、電壓尖峰、損耗和逆變器的效率，可以不考慮機(jī)械負(fù)載，從而在開環(huán)條件下進(jìn)行仿真，提高效率。電驅(qū)系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)行的電路原理如圖2所示。

圖2 電驅(qū)系統(tǒng)開環(huán)控制電路原理

給定電機(jī)輸出頻率、電機(jī)峰值相電壓和電壓補(bǔ)償，經(jīng)矢量控制算法轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的給定電壓Uα、Uβ，SVPWM 控制算法給出功率模塊控制信號，最后功率單元輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓、電流，省去了閉環(huán)控制，簡化了仿真過程。

2.2 功率單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)

功率單元作為逆變器的重要組成部分，包括IGBT、直流母線電容、驅(qū)動(dòng)單元、母排及濾波單元等。功率單元電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示，電源連接直流母排，電壓、電流經(jīng)電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）濾波單元濾波、母線電容緩沖后輸入由6 個(gè)IGBT 組成的三相全橋逆變器，驅(qū)動(dòng)單元將由SVPWM 控制算法輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為能夠驅(qū)動(dòng)IGBT的模擬信號，母線電容兩端并聯(lián)放電電阻用于電容的被動(dòng)放電，逆變器的輸出經(jīng)交流母排輸入電機(jī)。

圖3 功率單元組成

3 IGBT仿真模型搭建

3.1 行為級模型

功率器件性能（如耐壓值、開關(guān)速度、開關(guān)損耗等）對電驅(qū)系統(tǒng)性能影響較大，研究電驅(qū)系統(tǒng)的性能前，首先要對功率器件進(jìn)行建模。本文功率模塊采用某IGBT 模塊，耐壓值為1 200 V。IGBT 行為模型僅通過描述不同的輸入?yún)?shù)及其輸出狀態(tài)來表示行為過程，不需要考慮器件內(nèi)部的工作原理，參數(shù)易獲取，計(jì)算速度快，主要用于電路仿真，能夠很好地反映IGBT 的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)開關(guān)響應(yīng)特性[8]，Saber軟件自帶的IGBT建模工具即基于行為模型，如圖4所示。

圖4 含有熱阻的IGBT行為級模型

3.2 基于Saber的IGBT建模方法

數(shù)據(jù)手冊為制造商在特定工況下測試模塊得到的結(jié)果，Saber 軟件自帶IGBT 建模工具M(jìn)odel Architect，使用描點(diǎn)法錄入數(shù)據(jù)手冊中的特性曲線，添加參數(shù)即可完成對IGBT 的建模。建模所需曲線主要包括：

a. IGBT 輸出特性（Ic-Vce），表征IGBT 模塊輸出集電極電流Ic與導(dǎo)通電壓Vce之間的關(guān)系；

b. IGBT 傳輸特性（Ic-Vge），表征IGBT 模塊輸出集電極電流Ic與柵極電壓Vge之間的關(guān)系；

c. 反向恢復(fù)二極管的正向特性（If-Vf），表征反向恢復(fù)二極管的正向?qū)娏鱅f與其導(dǎo)通壓降Vf的關(guān)系；

d.反向恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)特性；

e.模塊的極間電容特性，直接影響IGBT模塊開關(guān)動(dòng)作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性；

f.模塊柵極電荷特性，直接影響模塊的開通過程，進(jìn)而影響開通損耗的計(jì)算；

g. 模塊的動(dòng)態(tài)特性，包括開通、關(guān)斷延遲時(shí)間td(on)、td(off)，開通、關(guān)斷損耗Eon、Eoff，上升、下降時(shí)間tr、tf；

h.模塊的熱阻特性，表征模塊封裝的散熱路徑及整個(gè)路徑上涉及的各種材料切換過程中的散熱特性的變化情況。

完成以上建模工作后，需對模型進(jìn)行雙脈沖仿真以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，測試結(jié)果如圖5 所示。仿真工具中自帶動(dòng)態(tài)特性測試電路，通過優(yōu)化使仿真結(jié)果與手冊值偏差在±10%范圍內(nèi)可視為建模完成。

圖5 雙脈沖仿真測試結(jié)果

4 逆變器系統(tǒng)仿真模型搭建

4.1 仿真條件

仿真中系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為直流母線電壓700 V，逆變器最大輸出電流有效值不小于270 A。電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為500~16 000 r/min，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大于320 N·m。忽略交直流母排、放電電阻、濾波器等元件。IGBT模塊主要參數(shù)如表1所示。

表1 IGBT模塊主要參數(shù)

4.2 仿真模型搭建

搭建的逆變器系統(tǒng)開環(huán)仿真模型如圖6 所示，由母線電壓、相電壓及電頻率給定、SVPWM 控制、IGBT組成的三相全橋智能功率單元、負(fù)載電機(jī)模型組成。

圖6 逆變器系統(tǒng)開環(huán)仿真模型

設(shè)電機(jī)相電壓峰值為Uref，電機(jī)三相電壓ua、ub、uc分別為：

式中，t為時(shí)間。

最后使用克拉克（Clark）變換將三相靜止坐標(biāo)系下的相電壓給定轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓給定Uα、Uβ，輸出到SVPWM模型。

SVPWM 模型在Saber 軟件中采用MAST 語言編程，根據(jù)給定電壓Uα、Uβ輸出6 路數(shù)字控制信號S1~S6。功率單元模型包括母線電容模型、IGBT模型和冷卻溫度給定以及IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)單元。

逆變器的輸出功率Pout為電機(jī)三相瞬時(shí)功率之和，也是三相電機(jī)有功功率，為恒定值：

式中，Pa=uaia、Pb=ubib、Pc=ucic分別為a 相、b 相、c 相瞬時(shí)功率；ua、ub、uc分別為電機(jī)a 相、b 相、c 相電壓；ia、ib、ic分別為a相、b相、c相電流。

在仿真模型中分別引出電機(jī)三相電壓和三相電流，經(jīng)過上述運(yùn)算即可得到逆變器輸出功率。

4.3 仿真方法

對于功率單元電熱性能，在直流母線電壓700 V、電機(jī)轉(zhuǎn)速4 500 r/min的工況下進(jìn)行仿真。根據(jù)系統(tǒng)性能需求，仿真結(jié)果需滿足：逆變器最大輸出電流有效值不小于270 A，IGBT 結(jié)溫小于150 ℃，IGBT輸出電壓Vce小于耐壓值1 200 V。

電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電頻率f的關(guān)系滿足n=60f/np，其中np為電機(jī)極對數(shù)，取np=4，因此可通過改變給定電機(jī)輸出頻率來模擬轉(zhuǎn)速變化的工況。通過改變電機(jī)峰值電壓來改變電機(jī)相電流，進(jìn)而模擬轉(zhuǎn)矩變化的工況。在電機(jī)轉(zhuǎn)速為5 00~16 000 r/min，轉(zhuǎn)矩為0~320 N·m 的條件下，對逆變器效率和IGBT 損耗進(jìn)行仿真，最終生成效率MAP和IGBT損耗MAP。

5 仿真結(jié)果與分析

5.1 電熱性能仿真結(jié)果

在電機(jī)額定轉(zhuǎn)速4 500 r/min，即給定輸出頻率為300 Hz的工況下對逆變器電熱性能進(jìn)行仿真。

IGBT 輸出電壓Vce和總損耗pwrd仿真結(jié)果如圖7所示，由圖7 可知，IGBT 集電極與發(fā)射極兩端電壓Vce最大為744.62 V，低于耐壓值1 200 V，單個(gè)IGBT模塊總損耗pwrd平均值為480.26 W。

圖7 IGBT輸出電壓Vce和總損耗pwrd

電機(jī)三相電壓仿真結(jié)果及與三相電壓給定對比如圖8所示。由圖8可知，在SVPWM控制算法下，電壓中含有高頻信號，經(jīng)低通濾波后除去高頻分量得到如圖8b中所示的三相電壓ua、ub、uc，其幅值與電機(jī)三相電壓給定幅值基本一致，頻率為300 Hz。

圖8 電機(jī)三相電壓仿真結(jié)果及與三相電壓給定對比

電機(jī)三相電流仿真結(jié)果如圖9所示，根據(jù)電機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為4 500 r/min時(shí)，即電機(jī)頻率為300 Hz時(shí)，相電流有效值為299 A時(shí)對應(yīng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為336 N·m。

圖9 電機(jī)三相電流仿真結(jié)果及轉(zhuǎn)矩與電流的關(guān)系

IGBT 模塊的結(jié)溫曲線如圖10 所示，最高結(jié)溫為137.29 ℃，小于150 ℃。

圖10 IGBT結(jié)溫

根據(jù)IGBT 集電極與發(fā)射極兩端電壓Vce、電機(jī)相電流有效值和IGBT模塊的最高結(jié)溫仿真結(jié)果，功率單元電熱性能滿需求。

5.2 效率MAP繪制

通過對變電機(jī)轉(zhuǎn)速、變輸出轉(zhuǎn)矩等條件下逆變器性能的仿真，得到轉(zhuǎn)速為500~16 000 r/min、轉(zhuǎn)矩為0~320 N·m 工況下的逆變器輸入輸出功率、功率模塊損耗，利用MATLAB 軟件繪制逆變器效率MAP和功率模塊損耗MAP以便進(jìn)一步分析。

直流母線電壓700 V 下的IGBT 損耗MAP 如圖11 所示，最大損耗為550 W，根據(jù)損耗MAP 可以快速獲取不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩工況下的IGBT損耗。

圖11 IGBT損耗MAP

直流母線電壓700 V 下逆變器效率MAP 如圖12 所示，最高效率為98.44%。根據(jù)效率MAP 可以快速獲取不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩工況下的效率。

圖12 逆變器效率MAP

5.3 仿真實(shí)測閉環(huán)

在完成樣機(jī)試制后進(jìn)行電驅(qū)系統(tǒng)性能測試，獲取逆變器效率和功率模塊結(jié)溫測試數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果進(jìn)行閉環(huán)對比分析，結(jié)果如表3所示。

表3 仿真結(jié)果與實(shí)測對比

仿真獲取功率模塊最高結(jié)溫與實(shí)測數(shù)據(jù)相差5 ℃以內(nèi)，逆變器最高效率偏差為0.29 百分點(diǎn)，仿真誤差在允許范圍內(nèi)，仿真精度較高。

6 結(jié)束語

本文給出了基于Saber 的功率單元電熱性能模型搭建方法和仿真評價(jià)方法。通過逆變器建模與電熱性能仿真，得到了功率模塊的電熱特性仿真結(jié)果，滿足結(jié)溫需求，功率模塊耐壓在限值范圍內(nèi)，且具備所需電流能力，逆變器效率由效率MAP 表征，最高可達(dá)98.44%。

本仿真中功率模塊模型采用制造商提供的數(shù)據(jù)手冊搭建，與實(shí)際應(yīng)用存在差別，后續(xù)應(yīng)結(jié)合功率模塊雙脈沖測試對功率模塊的仿真模型進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高功率單元電熱性能仿真準(zhǔn)確性。