IGBT 功率损耗对于提高功率模块可靠性的意义

2023-03-28 10:01:51

为获得绝缘栅双极型晶体管( IGBT)在工作过程中准确的功率损耗,基于数学模型及测试,建立了一种准确计算功率逆变器损耗模型的方法。通过双脉冲测试对影响 IGBT 开关损耗的参数( Eon 、Eoff 和 Erec ) 进行准确测量,建立了一种通用的功率器件导通损耗和开关损耗模型。在考虑 IGBT 芯片间热偶合影响基础上提出了一种结温估算数学模型。搭建三相电感结温测试平台,通过结温试验验证了 IGBT 模块损耗模型和结温预估算型准确性。该损耗模型及结温估算的方法对于提高功率模块可靠性及降低成本具有较大工程实际意义。

随着新能源汽车的大力发展,功率器件的封装逐渐向大电流、低阻通、小型化方向发展,IGBT 以其开关频率高、导通压降低等特点被广泛应用在电气设备电能转换装置中。在混合动力汽车和纯电动汽车中,IGBT 模块的结温是决定逆变器可靠性的关键,也直接决定了模块的最大输出功率能力。IGBT 模块的损耗由 IGBT 芯片和二极管芯片的通态损耗和开关损耗组成,大功率模块内的引线电阻造成的损耗也不能忽略,要一并计入模块损耗。损耗的变化会引起 IGBT 和二极管结温的变化,当负载电流增加,结温会显著升高。结温超出一定范围会使 IGBT 绝缘栅失去绝缘能力。另一方面,在电动机低转速起动时,由于 IGBT 和反向二极管交替长时间导通, 会产生较大的结温波动,也会使键合线失效。在实际应用过程中,新能源汽车水温一般在 65 ℃ 左右, 且随散热、损耗变化。为了使电动车输出更高功率, 同时保证其可靠性及安全性,对于 IGBT 模块的最高结温和结温纹波的正确估算尤为关键。

得到 IGBT 的结温,首先要对 IGBT 的损耗进行计算,然后加入 IGBT 模块实际的热模型,在一定的散热条件下可以算出结温。IGBT 的损耗分成两个部分:开关损耗和导通损耗。导通损耗是由负载电流、IGBT 饱和压降和调制方法决定的。本文将对损耗的数值计算方法进行推导,并通过结温实验与数学模型进行对比。

1 、IGBT 导通及开关损耗模型

(1)IGBT 导通损耗

导通损耗是导通过程中由于饱和压降的存在, 而饱和压降与导通时压降、占空比、开关频率以及结温有密切关系。

(2) IGBT 开关损耗

为精确获取 IGBT 的开关特性,需要搭建 IGBT 模块的半桥电路进行双脉冲测试,开通时和关断时能量损失 Eon 和 Eoff 对开关损耗有直接影响,除此之外,开关损耗还与开关频率有关。开通过程中的能量损耗定义为在时间跨度为 T0 情况下,集电极电流从正常值的 10%到集射极电压下降到正常值的 2% 结束。关断过程中的能量损耗定义为 Eoff 对应的时间,从 Uce 上升到正常值的 10%开始,集电极电流下降到正常值的 2%结束。

2、双脉冲测试

为了准确建立 IGBT 损耗模型,对开关过程中的通态及断态损耗进行双脉冲测试。测试台架主要由可调直流电源、电容组、电感以及 IGBT 模块及驱动电路组成。第一个脉冲用于建立一个初始电流值,例如数据手册中的额定电流,在零电流开通条件下,脉冲时长大约 50 μs,需要的负载空心电感大约 35 μH。第一个脉冲的关断即 IGBT 的关断特性也是二极管的正向导通开启,通过读取下降沿波形可以查看 IGBT 关断时是否有振荡,是否存在过高的电压过冲。第一个脉冲的关断到第二个脉冲的开通之间是由二极管续流构成的,IGBT 只有无法观测到的漏电流,负载侧有可以观测的电流, 这段时间设得很短,大约 10 μs,所以电流在负载上消耗的功率很小。可以发现,第二次开通的电流大致与第一个脉冲关断的电流相等。第二个脉冲上升沿是 IGBT 在一定电流下的开通,对应的续流二极管完成反向恢复。第二个脉冲宽度在 10 μs 左右, 以免关断电流超过器件最大关断电流。IGBT 损耗特性和温度息息相关,因此标定出常温 25 ℃ 和高温 125 ℃ 时的损耗值作为基础,并在 25 ℃和 125 ℃参数基础上,通过线性化处理,获得全温度范围的损耗数据。

3、实验验证

结温测试设备由双脉冲发生器、冷却液水泵、三相负载电感、双脉冲发生器及 IGBT 测试模块组成,对于 IGBT 发热而言,重要的参数是电流、电压、开关频率、功率因数角和调制度。只要选取对标电机电感的外置电感负载,就能在电机正向运行工况下,较好地镜像评估 IGBT 的发热。该工况下 IGBT 有最高的发热,是系统保护点设计和软件故障诊断的触发点。结温测试方法用电感负载模拟,对比经典电机对拖测试平台,电感实现机械能到电能的转换,不能模拟电机反拖工况,该工况下IGBT和二极管发热分布会变化较大,因此不能模拟电动车能量回收对二极管的影响。考虑电动车配有机械刹车,不会完全使用功率电子最高的电气能量回收能力,因此能量回收不是最恶劣工况,该测试方法依然有实用的现实意义。