聊聊IGBT功率模块的结温计算及其模型

  电机控制器的功率模块，即IGBT器件和续流二极管，在开关和导通电流会产生损耗，损失的能量会转化成热能，表现为功率模块发热。电机控制器功率模块的可靠性和寿命极大地受到工作结温Tj的影响。虽然IGBT和二极管的PN结温度无法直接测量，但能够最终靠间接的测量和计算来获取。当前，电机控制器功率模块结温的计算已成为大家普遍关注的焦点。下面我们来聊聊功率模块的结温计算及其模型。

  对于功率模块中每个IGBT和二极管，损耗热功率都来自结，其值最高。它的瞬时值等于IGBT或二极管的I x V乘积。热量流过结构的热阻抗并散发到周围环境中。其热阻抗越低，结温与周围环境和温度的差值越小。采用热等效回路模型来描述功率模块器件的热行为，如下图1：

  电机控制器功率模块的结温取决于IGBT晶体管和续流二极管的损耗，因此，根据热等效回路，我们分别计算出IGBT结温Tj,IGBT和续流二极管的结温Tj,Diode,如下：

  备注：IGBT晶体管和续流二极管的损耗的计算，请参考“新能汽车电机控制器功率模块IGBT损耗的计算及其模型”。

  对于热阻抗的计算，我们大家可以采用分层热模型分析传热过程。利用功率器件（即IGBT和二极管）的PN结的损耗送入分层热模型并与周围静态温度（即冷却液温度）来做比较，就可以计算出结温的动态变化。下面来介绍两种热模型，即π型热等效回路和Cauer型热等效回路，如图2和图4所示.

  π型热等效回路：根据实际的物理层和材料没关系，适合通过计量测定热阻和阻抗，如图2. 使用π模型没有必要知道确切的材料参数。Rth-Cth耦合的数目取决于测量点的数量。

  Cauer型热等效回路：根据功率模块器件的实际物理层和材料直接建立模型，这个模型需要精确的材料参数，特别是相关层的横向热传参数。所需Rth-Cth耦合的数目能够准确的通过图3功率模块器件的结构布置的设计而定。

  对于热阻抗Zth,IGBT~~àIGBTand Zth,Diode~~àDiode能够最终靠π型热等效回路来确定。图3 π型热等效回路可视作由4个Rth-Cth耦合并行组成，定义为PTTH单元，即Rth-Cth耦合滤波器，PTTH单元的离散实现方程式如下，具体推导过程可参考“新能源汽车电机控制器温度计算及其模型—DC电容篇”，可知：

  将公式（2-5）离散化，离散化过程可参考公式（2-3），（离散后的公式这里就不再具体列出），可参考△Tj, IGBT->

  IGBT计算的Simulink模型如下图6。

  根据公式（2-1）和（2-2），我们可得到IGBT的结温和续流二极管的结温，其两者中较大者定义为电机控制器功率模块最高结温。如图9.

  关于IGBT晶体管和续流二极管的损耗的计算，请参考“新能源汽车电机控制器功率模块IGBT损耗的计算及其模型”

  关于冷却液，如果冷却液气温变化非常快，则功率模块的温度也会以相同的方式变化。为避免这样的一种情况，用于计算元器件温度的冷却液温度也需通过低通滤波器进行过滤。另外，还需考虑功率模块损耗引起的温升。

  关于热阻Rth、热容Cth和热阻抗Zth能够最终靠FEA仿真来获取，在实际工程应用时，能够准确的通过计算出的结温和实际的结温来做比较，从而修正对应的热阻Rth、热容Cth。其中实际的结温能够最终靠校准曲线来确定。校准曲线可按以下方式获取：

  利用外部热源加热被测模块，然后让模块通过很小的测量电流Iref,记录此时的饱和电压UCEsat，所选的Iref应该足够小，这样损耗足够小就可忽略模块的自加热。在不一样的温度下重复上述过程，可得函数UCEsat=f(Tj, Iref )的校准曲线.UCEsat=f(Tj, Iref )的校准曲线

  对于热阻Rth和热容充满的时间常数，即Tau，会随着冷却液流量的变化而变化，需要仔细考虑使用一维表查表来根据冷却液流量进行标定修正。

  关键字：编辑：什么鱼 引用地址：聊聊IGBT功率模块的结温计算及其模型上一篇：汽车电源线上的脉冲干扰，PMOS防反保护电路的缺点

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