3. IGBT結(jié)溫動(dòng)態(tài)溫升計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中的意義

　　從上文的分析可看出，在設(shè)計(jì)IGBT模塊散熱系統(tǒng)時(shí)，不能只考慮IGBT的平均損耗功率，還必須考慮在低頻率輸出下的結(jié)溫波動(dòng)。在標(biāo)定系統(tǒng)各個(gè)轉(zhuǎn)速下的最大輸出電流時(shí)，必須設(shè)定相應(yīng)的降額率。同時(shí)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)也可近似考慮為接近0Hz的輸出頻率條件，標(biāo)定最大堵轉(zhuǎn)時(shí)間時(shí)，也需要考慮IGBT結(jié)溫瞬態(tài)上升的安全范圍。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)汽車的滿載起步或低速爬坡工況是有必要對(duì)結(jié)溫動(dòng)態(tài)溫升進(jìn)行計(jì)算仿真的。下面我們以純電動(dòng)巴士的實(shí)例來分析其過載與起步能力。例如系統(tǒng)規(guī)格如下：

　　-驅(qū)動(dòng)器額定功率：，

　　-驅(qū)動(dòng)額定輸出電流：，

　　-60秒內(nèi)峰值輸出電流：

　　-電池電壓：，

　　-開關(guān)頻率：，

　　-輸出頻率：，

　　-電機(jī)極對(duì)數(shù)：n = 2，

　　-電機(jī)額定轉(zhuǎn)速：=3000 r/min，

　　-齒輪箱減速比：i = 5:1，

　　-輪胎直徑0.87m，周長(zhǎng)L=2.75m。

　　根據(jù)公式：

　　以及：

　　可推算出輸出頻率與車速的關(guān)系大約為 1Hz=》1km/h，與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為1Hz=》30r/min，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)應(yīng)頻率為100Hz。

　　我們可使用Infineon的IPOSIM在線版仿真工具的負(fù)載循環(huán)仿真計(jì)算的功能，對(duì)該車輛在起步，重載爬坡，高速過載，勻速輕載等幾個(gè)工況進(jìn)行仿真計(jì)算結(jié)溫。

　　我們?cè)O(shè)定電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用水冷，進(jìn)口水溫60°C，假設(shè)三相橋每一個(gè)橋臂的散熱都是均衡的，散熱器針對(duì)一個(gè)橋臂的穩(wěn)態(tài)熱阻為0.072K/W，散熱器熱平衡時(shí)間τ=14s。驅(qū)動(dòng)器中的IGBT模塊選用英飛凌EconoDUAL?3系列的FF600R12ME4，CE阻斷電壓1200V，模塊額定電流600A，芯片采用第四代具有場(chǎng)終止溝槽柵技術(shù)，最高工作結(jié)溫150°C。

　　使用IPOSIM工具仿真，步驟及結(jié)果如下：

　　1） 穩(wěn)態(tài)下fout=100Hz，Iout=150A，持續(xù)工作下IGBT結(jié)溫：Tvj_max = 109°C

　　2） 穩(wěn)態(tài)下fout=5Hz，Iout=150A，持續(xù)工作下IGBT結(jié)溫：Tvj _max = 117°C

　　3） 穩(wěn)態(tài)下fout=1Hz（近似堵轉(zhuǎn)工況），Iout=150A，持續(xù)工作下IGBT結(jié)溫：Tvj _max = 123°C

　　4） 模擬功率循環(huán)：fout=100Hz，Iout=150A穩(wěn)態(tài)中出現(xiàn)60秒Iout=250A過載：

　　結(jié)溫波動(dòng)曲線如圖5，最高結(jié)溫會(huì)達(dá)到142°C，在安全工作區(qū)以內(nèi)

　　圖5 100Hz下過載功率循環(huán)結(jié)溫曲線

　　5） 模擬功率循環(huán)：fout=5Hz，Iout=150A穩(wěn)態(tài)中出現(xiàn)60秒Iout=250A過載。

　　結(jié)溫波動(dòng)曲線如圖6，最高結(jié)溫會(huì)到152°C，這將超過IGBT安全工作區(qū)。

　　圖6 5Hz下過載功率循環(huán)結(jié)溫曲線

　　對(duì)比仿真結(jié)果，在低頻穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下和過載功率循環(huán)運(yùn)行下IGBT結(jié)溫均高于高頻運(yùn)行的工況。因此在低頻時(shí)尤其是堵轉(zhuǎn)工況下，需要限制電機(jī)控制器的過載電流輸出，峰值電流值需要相應(yīng)降額。否則在應(yīng)用中容易出現(xiàn)結(jié)溫超出安全工作區(qū)導(dǎo)致IGBT模塊的損壞。

　　4. 結(jié)論

　　IGBT模塊和散熱器的動(dòng)態(tài)熱阻特性允許模塊短時(shí)間過載工作。合理的利用動(dòng)態(tài)熱阻特性可使電機(jī)功率輸出性能提高，但同時(shí)必須在設(shè)計(jì)時(shí)精確的進(jìn)行仿真計(jì)算，動(dòng)態(tài)的控制不同輸出頻率下的電流限值。Infineon公司所提供的IPOSIM仿真工具，具有對(duì)穩(wěn)態(tài)下和動(dòng)態(tài)循環(huán)下的結(jié)溫仿真功能，使設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)設(shè)定和模塊選型時(shí)能更加準(zhǔn)確和安全。

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