周 仟黃 波范玉龍

（1.上海工程技術大學 上海 201620）（2.上海首智新能源科技有限公司 上海 201708）

1 引言

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種結(jié)合了功率場效應管和雙極型功率晶體管結(jié)構(gòu)的復合型功率半導體器件［1］，是目前應用最廣泛的全控型電力電子器件［2～3］。IGBT的工作特性受溫度影響很大［4～6］，IGBT的開關速度、通態(tài)壓降、漏電流等性能參數(shù)都將隨溫度發(fā)生變化，同時芯片還受最高工作結(jié)溫的限制。研究表明：超過半數(shù)的IGBT失效都是由于溫度所導致的，而且在IGBT溫度每上升10度的時候，IGBT的失效率會提高一倍［7］。目前常見的結(jié)溫測量方式大體上分為兩種：直接測量和模型仿真［8］。浙江大學孫鵬飛提出了根據(jù)關斷延遲時間的結(jié)溫預測方法，實現(xiàn)了IGBT功率模塊的結(jié)溫在線監(jiān)測［9］。禹健等通過基于GA-BP算法選取了飽和式壓降和集電極電流作為熱敏參數(shù)來預測結(jié)溫［10］。馬漢卿通過飽和壓降平臺提取飽和壓降作為熱敏感電參數(shù)，建立結(jié)溫預測模型估算結(jié)溫［11］。英國華威大學的Bryant A等提出了一個基于傅里葉級數(shù)的IGBT數(shù)學模型和一個基于封裝的3-D熱模型，進而利用模型仿真實時預測器件的結(jié)溫［12］。Xu Y Chen H等根據(jù)芯片散熱片的傳熱原理，通過熱流密度方程和邊界條件推導出IGBT的熱阻矩陣，進而建立器件的熱網(wǎng)絡模型預測器件的結(jié)溫，最后與有限元方法的分析結(jié)果進行比較，證明結(jié)溫預測結(jié)果的準確性［13］。

2 IGBT模塊的功率損耗計算

2.1 IGBT模塊的開關損耗計算

本論文采用Infineon AIKW50N60TA型號的IGBT作為研究對象。從AIKW50N60TA型的IGBT數(shù)據(jù)手冊可以查到結(jié)溫與開關能耗的關系曲線［14］如圖1所示（在數(shù)據(jù)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在開關時的損耗合計在一起計算），圖中有三條能耗曲線，分別對應著不同結(jié)點溫度下IGBT的開通能量曲線EOn，關斷能量損耗曲線Eoff，以及模塊內(nèi)部FWD的反向恢復能量曲線Erec。

圖1 結(jié)溫與開通損耗關系圖

通過這三條功耗曲線可以得到在固定的電壓V=400V和電流40A下，模塊對應不同結(jié)溫（Tj）的損耗，但是在實際應用中，IGBT模塊的工作電壓和電流并不一定是額定值，所以仿真時必須利用合理的假設。依照Infineon、ABB等IGBT生產(chǎn)商對PWM功耗仿真的研究，可以認為能耗值與電壓，相電流等變量近似符合線性關系［15］。通過圖1，可以得出其結(jié)溫與開通關段時的能耗成線性關系，建立如式（1）所示的開通能量模型。

式中：K1為電壓系數(shù)，IGBT運行的實際電壓與額定電壓的比值；K2為電流系數(shù)IGBT運行時的實際電流與額定電流的比值；Eon(Vce,Ic,Tj)為實際開通能耗對應結(jié)溫的曲線值；Eon_（Tj）為根據(jù)數(shù)據(jù)手冊提供的標準參考電流電壓下擬合的開通能耗對應結(jié)溫的曲線值（如紅線）；Eon factorTj為擬合開通損耗曲線的斜率，通過標定獲得。Ic為實際電流，Ic_ref為參考電流，Vce為實際母線電壓，Vce_ref為參考母線電壓。Eon25℃為擬合曲線的截距。

同理，對于IGBT的關斷損耗，也可以得到類似模型。

Eoff(Vce,Ic,Tj)實際關斷能耗對應結(jié)溫的曲線值，Eoff（Tj）為數(shù)據(jù)手冊提供的參考電流電壓下擬合的關斷能耗對應結(jié)溫的曲線值。Eoff factorTj為擬合開通損耗曲線的斜率，Eoff25℃為擬合曲線的截距。

2.2 IGBT和FWD的導通損耗計算

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊上查到Infineon AIKW50N60TA型號的IGBT模塊IGBT部分和FWD部分25℃和175℃下的電流與導通壓降的關系數(shù)據(jù)，如表1所示?？刂破鞑捎抿?qū)動電壓15V驅(qū)動，圖2為表1數(shù)據(jù)經(jīng)線性插值得到的實際導通電流與導通壓降關系曲線。

表1 IGBT通態(tài)壓降

根據(jù)分析可以得到IGBT的通態(tài)能量損耗模型：

Econd(Vce，Ic,Tj)為實際IGBT通態(tài)損耗；P(Ic,Tj,Vce)為實際IGBT導通功率損耗Vce(IC,Tj)通過圖2曲線得到的實際導通壓降。

圖2 IGBT實際導通時電流與導通壓降曲線

同理可以得到FWD的導通損耗模型：

表2 FWD通態(tài)壓降

圖3 FWD實際電流與導通壓降曲線

3 熱網(wǎng)絡模型的搭建

本文采用3階Foster網(wǎng)絡來計算IGBT的結(jié)溫，由于IGBT的封裝結(jié)構(gòu)可以知道IGBT和二極管共用一個散熱設備，本文不考慮兩者之間的相互影響，可以得到如下的等效熱路圖。Rt?_IGBT為IGBT內(nèi)部的熱阻，Ct?_IGBT為IGBT內(nèi)部熱容。

如圖4所示：Rt?_IGBT與Rt?_FWD分別為IGBT與FWD芯 片 到 基 板 的 熱 阻，Ct?_IGBT和Ct?_FWD分別為IGBT與FWD芯片到基板的熱容；Rt?_amb1和Rt?_amb2為 基 板 到PCB板 的 熱阻，Ct?_amb1和Ct?_amb2為 基 板 到PCB板 的 熱容。

圖4 等效熱網(wǎng)絡圖

4 結(jié)溫的計算

IGBT的結(jié)溫Tj值由總的功率損耗p(t)，散熱功率p1(t)與IGBT等效熱網(wǎng)絡熱阻抗確定。公式如下：

1）通過控制器采樣的相電流，母線電壓和PCB板的溫度采樣的數(shù)據(jù)，計算出功率的損耗p(t)，通過熱網(wǎng)絡模型中的熱阻熱容計算出散熱功率損耗所帶來的溫升，再加上Tcase的溫度得出結(jié)溫Tj。

2）通過Tj的數(shù)值計算出當時的IGBT和FWD各自的輸出損耗，通過環(huán)境的熱阻熱容，計算出Tcase的溫度，形成一個閉環(huán)的系統(tǒng)，使得Tj和Tcase相互影響，相互校驗補償。

5 熱阻參數(shù)的確定

第一步：先根據(jù)手冊上的熱阻熱容的值賦予模型參數(shù)運行，此時溫度采集器開始采集IGBT基板的溫度。在壓縮機運行的過程中，應該進行變工況測試，將不同工況都進行記錄。

第二步：記錄完數(shù)據(jù)后，將控制器和溫度采集器采集到的基板溫度，和控制器的相電流，母線電壓，PCB板的溫度的采樣值，導入workspace中。

第三步：運行Matlab的參數(shù)辨識模塊進行辨識，擬合輸入數(shù)據(jù)波形，系統(tǒng)會采用非線性最小二乘法進行辨識迭代出有一組新的參數(shù)。

第四步：將辨識出來的參數(shù)寫進軟件。重新實驗。通過INCA觀測標定。

圖5 仿真模型圖

6 實驗仿真結(jié)果及分析

6.1 參數(shù)辨識結(jié)果

圖6 參數(shù)辨識曲線圖

圖7 參數(shù)辨識新參數(shù)值

深色線為基板辨識曲線，淺色為實際采集到的基板溫度，以辨識的參數(shù)為基礎，修改標定后具體標定溫度參數(shù)如表3所示。

表3 標定溫度幾何參數(shù)表

6.2 實驗結(jié)果

如圖8所示，Tcase-m線為溫度采集器實際采樣的基板Tcase溫度，Tcase-e線為基板軟件仿真觀測的數(shù)據(jù)，Tj線為IGBT結(jié)溫。從圖上看，在PCB板上的溫度采樣的值較低，與實際采到IGBT基板的溫度相差較大，所以也驗證了IGBT結(jié)點溫度估算的必要性。從圖上看，估算的和實際的基板溫度及其接近，上升段溫度最大誤差不會超過5℃，驗證了Tj的精確度。滿足設計要求。

圖8 試驗數(shù)據(jù)記錄

7 結(jié)語

本文采用的一種IGBT結(jié)溫估算的方法，IGBT失效的主要原因是由于高溫導致應力較大，且標定在低溫段的效果不怎么理想，但不影響。由于主要針對與高溫段的估算，由于在運行時只能采集到PCB板溫度和電路電壓值和電流值，所以通過能耗模型和熱網(wǎng)絡組合，并采用參數(shù)辨識的方法確定相關參數(shù)的參考值，再通過標定的方法，得到具體的模型參數(shù)。從實際試驗結(jié)果看通過溫度采集器采集的IGBT基板實際溫度與仿真計算的基板溫度在高溫段極其接近，從而驗證了Tj估算的精準度。