調制方式對電動熱泵壓縮機控制器IGBT 溫度影響*

周 仟 黃 波 范玉龍

（上海工程技術大學 上海 201620）

1 引言

隨著新能源汽車在汽車市場所占比重的增加，其續航里程成了目前消費者主要關注的方向。與傳統的燃油車不同，新能源沒有發動機，所以在冬季制熱時，沒有熱量的來源，只能依靠汽車電池包給PTC供電加熱，根據文獻［3］研究，幾乎一半電池包的電量被用來冬季PTC制熱，續航里程縮短了一半［3］。電動熱泵壓縮機不需要熱量來源，原理與水泵相似，基于逆卡諾原理將空氣中的熱量搬到室內，實現制熱，不需要通過電池包加熱，有效地增加了續航里程。作為電動熱泵壓縮機的大腦，控制器的安全性，直接影響著駕駛員的安全。IGBT 作為主要的功率器件，它的安全直接關系到控制器的安全。根據研究表明大約60%的IGBT 永久性的實效是由溫度導致［4］。IGBT 溫升主要是由于內部損耗引起，有效減小IGBT 模塊內部損耗，能夠降低IGBT模塊溫度，保護IGBT的安全。

2 不同調制方式損耗分析

SVPWM 根據調制方式的不同主要分為：兩相調制和三相調制。兩相調制主要指三相中的兩相參與調制，其余相恒高或恒低。三相調制指UVW三相都參與調制。表1 描述了三相調制和兩相調制的開關順序和每個基本空間矢量的作用時間。通過對比，我們可以發現在同一周期內，一個扇區三相調制上升和下降沿一共6 個，兩相調制上升沿和下降沿一共4個（每個上升沿和下降沿表示IGBT開通與關斷）。

表1 兩種調制方式時間及開關次數對比

圖1 為示波器在電動熱泵壓縮機穩定運行時采集到的相電流波形，從圖上看，兩種調制方式調制出的相電流波形相差不大，不影響控制。從開關次數上看，兩相調制比三相調制在開關次數上確實會少很多。

圖1 兩種調制電流對比

3 調制方式對IGBT損耗的影響

3.1 調制方式對IGBT開關損耗影響

1）三相調制的開關損耗計算

根據文獻［1］所述，以第一扇區為例，在與第一扇區相關的基本空間矢量有U4，U6，U7/0開關損耗主要是由電壓和電流重合所引起的。本文采用三相電機，每相相差120°，在一個周期內一共包含三相的損耗，且在相同工況下，如若流過IGBT電流電壓不變，我們可以認為每相開關一次產生的開關損耗相同（在數據手冊提供的開關損耗計算參考值中包含了FWD 的反向恢復損耗，所以模型將IGBT 和FWD 在開關時的損耗合在一起計算）。通過文獻［2］和文獻［5］，我們可以總結出IGBT 模塊損耗計算公式：

通過上述，我們可以得出IGBT 每相總的開關損耗公式如下：

由上述所知，每相在開關一次的所產生的損耗相同，可以得到總的開關損耗為

Eon_nom為25℃時開通能量損耗；Eoff_nom為25℃時關斷能量損耗；Tj為IGBT 結溫；Eon factorTj為數據手冊中開通能耗曲線擬合斜率Eoff factorTj為數據手冊中關斷能耗曲線擬合斜率。K1為IGBT運行的實際電壓與額定電壓的比值；K2為IGBT運行時的實際電流與額定電流的比值。

2）兩相調制的開關損耗計算

從表1 上看：我們可以得到在開關特性圖上，三相中的U相為恒開狀態，所以這一項不會產生開關損耗。由于是在系統穩定的時候來比較兩相調制與三相調制對開關損耗的影響，所以每相開關一次時產生的損耗相同，我們可以得到一個周期內的損耗計算公式為

通過對比我們可以發現三相調制相比于兩相調制在單個周期內相差了三分之一的開關損耗，總的開關損耗相差為fswE總。

3.2 調制對導通損耗影響

IGBT 導通損耗的大小與流過IGBT 的電流，導通壓降和占空比相關。根據文獻［10］可知導通壓降Vce大小與流過其內部的電流大小相關，在一定程度上可以認為導通壓降與電流成線性關系，所以飽和壓降的表達式為

本文采用SVPWM 控制，可以得到此時的相電流時域表達式為

當采用兩相調制時，UVW 三相中有一相恒高或者恒低，此時我們可以計算出每一相的作用時間。根據文獻［15］可知，當目標向量落在各自扇區，根據矢量合成法則，可以得到基本矢量作用時間如下等式：

本文以U相的IGBT為研究對象，根據表1我們可以得到U相在第一扇區的導通占空比為

結合式（8）～（9）我們可以計算出其余扇區中U相占空比并匯總得：

同理我們可以得到三相調制下占空比表達式［6］：

φ為電壓超前電流相位；m為調制比。

本文針對單個IGBT 模塊進行研究，根據IGBT的工作特性，我們可以得到：單個IGBT的作用時間為半個周期，此時的導通損耗計算可以表示為

將三相調制占空比代入式（12）得［6］：

由于在一個周期內，IGBT 和FWD 的導通占空比加起來是1，所以我們可以計算出FWD的導通損耗［6］：

將兩相調制的占空比帶入計算得：

通過上述計算結果我們可以得出：在一個電流周期內，不管采用哪種調制方式，當系統穩定后，IGBT 模塊導通損耗的大小與單個電流周期內時間沒有關系，和電壓超前角相關。

3.3 理想PMSM電機仿真

根據文獻［1］搭建理想電機模型，如圖2所示。

圖2 理想電機仿真模型

設定電機轉速為3000rpm，母線電壓為330V，軟件的開關頻率為10K，模型SVPWM 模塊中可以通過標定來切換調制方式（如圖3所示）。

圖3 SVPWM占空比計算模塊

兩種調制方式下仿真波形如表2所示。

從表2 仿真波形數據中我們可以發現（當采用兩相調制時SW5flg 的數值為1，即每張波形圖都有體現），三相調制和兩相調制不會對相電流和IGBT導通損耗的大小產生影響，也驗證了上節中導通損耗的大小與單次導通時間無關。

4 實驗結果與分析

基于文獻［9］中Simulink 仿真軟件搭建結溫估算模型如圖4 所示，可以知道不同的調制方式在相同工況下IGBT 產生總損耗大小不同，進而IGBT 總的散熱功率發生變化，造成IGBT 內部溫升的大小發生改變，導致IGBT 模塊的內部結溫也會發生變化。

圖4 結溫估算模型［9］

為了驗證不同調制方式對IGBT模塊溫度的影響，進行實機實驗，先將壓縮機驅動在一個穩定的0.3Mpa～1.5Mpa 的工況，平穩運行半小時后，開始進行標定，將兩相調制與三相調制相切換，最后發現結果如圖5所示。

圖5 不同調制溫度數據

從數據上看，當黃色曲線代表的Iq數值不發生向上趨勢變化時，我們認為此時壓縮機處于平衡狀態。在外部負載不變的情況下，更改標定切換調制方式（如圖紅色曲線7T5SW_flg 為1 時是兩相調制，值為0 是三相調制），可以看出綠色曲線所代表的母線功率DCHipower有明顯的下降，此時采樣的PCB 的溫度（橙色曲線）有明顯下降，下降了5.7℃。從IGBT 結溫估算模型［9］中可以推出：當PCB溫度下降，Tcase溫度會下降，進而Tj溫度也會有下降趨勢。

5 結語

本文基于SVPWM 矢量控制為基礎，分析了三相調制和兩相調制對IGBT 模塊的損耗的影響，并對兩種調制方式下IGBT模塊溫度進行了分析。通過研究發現，三相調制的總損耗大于兩相調制，損耗差異在開關損耗上，導通損耗大小不會發生變化。從溫度上看，三相調制下的IGBT 模塊溫度要高于兩相調制控制下溫度。