IGBT损耗和温度估算

吴志红，何耀华

(同济大学 汽车学院，上海 201907)

0 引 言

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。

本文以Infineon HybridPACKTM驱动模块FS820R08A6P2B为例[1-3]，模块的理论最大集电极输出电流定义在连续电流有效值820 A。但数据手册[2]定义最大Icnom=450 A，这是在水温80 ℃下定义的。也就是说，当集电极电流有效值450 A，其模块损耗产生的温升使IGBT结温达到175 ℃，也就达到了最大工作结温。结温取决于损耗、水温和散热，即当损耗、水温更低，散热更理想时，模块实际可以短时间输出比标称更大的电流，在电机上产生更大的转矩。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。键合线受到温度应力，经历功率周次后会引起键合线脱焊和断裂甚至损坏。位于芯片和散热器之间的绝缘陶瓷基板，由于其热膨胀系数不同，在温度变化下会产生裂纹，导致模块整体散热效果变差，进而导致IGBT超过最高结温失效[5]。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[6]。

要得到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[7]。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[8-11]。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损耗模型建立

当Uge之间被加上脉冲信号，便对CGE开始充电，VGE开始上升，上升过程的时间常数由CGE和栅极驱动网路的电阻所决定，一旦VGE达到开启电压VGE(th)后，集电极电流Ic则开始上升。开通延迟时间td(on)被定义为从VGE上升至阈值电压VGE(th)开始，到IC上升至集电极电流的10%为止。此后，集电极电流Ic持续上升，到Ic上升至集电极电流的90%时，这段时间称为上升时间tr。开通延迟时间td(on)与上升时间tr之和被为开通时间ton。在整个开通时间内，电流逐渐上升，而集电极-发射极之间的压降仍然十分可观，因此主要的开通损耗产生于这一时间内。

本文基于数学方法的功率损耗模型并以双脉冲测试为基础进行功率损耗研究，得出功率损耗与IGBT模块自身参数之间的关系，有效且准确性较高。IGBT功率损耗主要来自饱和导通状态下电阻产生的损耗和开关在通断过程中电流和电压变化不同步引起的损耗。

(1)

式中：T0为输出时间周期；Econd为导通损耗；Eon为开关开通瞬间能量损耗；Eoff为开关关断瞬间能量损耗；pav为模块平均功率损耗；pcond为导通功率损耗；psw为开关功率损耗。

1.1 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)

式中：i(t)=isin(ωt)为正弦负载电流；vCE(t)=VCE0+ri(t)。

(3)

(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。

(4)

式中:fsw,IGBT为开关频率；Eon,IGBT,Eoff,IGBT分别为开关开通和关断时的能量损失,需通过实验测试获得；T0为开通到关断时的一个周期。

Esw,IGBT(i(t))=Eon,IGBT(Inom,Vnom)+

(5)

式中：Inom为标称电流；Vdc为直流母线电压；Vnom为额定电压；Eon,IGBT(Inom,Vnom)为额定电流和额定电压下的开关开通能量损耗；Eoff,IGBT(Inom,Vnom)为额定电流和额定电压下的开关关断能量损耗。对于不同应用场合，开通和关断时的能量损耗是不相同的，根据不同工况需求，进行双脉冲测试获得。

1.2 二级管导通及开关损耗

(1)导通损耗模型

(6)

式中：T0为一个开关周期；vCE为集射极电压；τ(t)为开通时间。

(2)开关损耗模型

(7)

(8)

式中：Erec(Inom,Vnom)为二极管反向恢复能量损耗。

1.3 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。如图1所示，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。双脉冲测试参数如表1所示。

图1 双脉冲测试设备

表1 IGBT模块双脉冲测试参数

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。双脉冲测试开关特性如图2和表2所示。

图2 双脉冲测试开关特性

表2 双脉冲测试得到的IGBT动态开关特性

2 IGBT结温预估

材料的导热性能直接影响IGBT的散热能力，如果已知介质横截面积A和厚度d，就可以得到热阻Rth。如图3所示，Tj为晶元结温，Tf为液冷系统冷却液温度。在已知晶元损耗的情况下，由式(9)可以获得单个IGBT和二极管的热阻。

图3 热阻模型

(9)

式中：Rth为热阻；ΔT是温升；ptot是系统总体损耗。

IGBT热网络物理模型如图4所示。热阻本身反应了热传递系数，考虑到热传递时间，引入了Zth的概念，增加了电容系数C，组成为等效RC热局部网络模型(Foster模型)，当芯片产生热量，热流的热路由热阻和热容组成，Foster模型模型不用考虑实际的物理层和材料。将图4抽象到如图5所示的四阶RC数学模型。

图4 IGBT模块结温与热阻定义点

图5 IGBT四阶RC网络模型

Foster RC热阻模型中，热传导特性由电阻、电容的串并联组合来模拟，表达式如下：

(10)

式中：热容Zth(t)是热阻Ri对时间的表征，加入虚拟的4阶电容参数Ci。

基于图5的IGBT热网络模型，相关RC参数如表3所示(本文提到的IGBT模块为 FS820R08xxx系列)。

表3 IGBT及二极管的热阻值

结温由四个组成部分：由芯片损耗乘以热阻，模块对水冷液的热对流，水温，IGBT和二极管的热耦合。

Tvj,IGBT=ptot,IGBTZth,IGBT+(ptot,IGBT+ptot,Diode)·

(11)

Tvj,Diode=ptot,DiodeZth,Diode+(ptot,IGBT+ptot,Diode)·

(12)

由式(11)、式(12)可见，结温主要是发热损耗和IGBT/二极管热容(Zth)的乘积，发热损耗包括ptot,IGBT和ptot,Diode两部分，热容包括Zth,IGBT和Zth,Diode，也需要考虑散热介质特性(横截面积A，厚度d)，散热水流温度(Tflow)，芯片热耦合(Zth,Diode,coupling，Zth,IGBT,coupling)的影响。

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，如图6所示。受测试条件限制，本文采用三相电感作为结温测试负载。

图6 结温测试设备实物图

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。

基于直流母线电压400 V，开关频率10 kHz，调制度0.9，功率因数0.9，测试不同负载电流下的损耗和结温，结果如表4所示。

表4 不同工况下IGBT模块损耗及结温计算结果

通过脉冲发生器将脉冲信号加载到栅极驱动器上。达到稳态时，从测试结果可以看出，芯片的最高结温出现在出水口处。当功率损耗分别0.94 kW、1.22 kW、1.53 kW和2.00 kW时，测试最高结温分别为49.1 ℃、57.6 ℃、66.7 ℃和76.7 ℃，如图7所示。

图7 IGBT模块测试云图

通过双脉冲测试获得的IGBT损耗，并根据模块的封装结构获得模块的总热阻，由式(11)和式(12)计算得到的IGBT模块的最高结温与测试获得的结温进行对比，从图8中可以看出，不同损耗对应的理论值与实验测试值均在4 ℃以内，表明本文的损耗测试方法与工程实际较为吻合。

图8 IGBT模块最高结温理论计算与测试对比

4 结 语

本文建立了IGBT功率损耗理论计算、参数测试、结温预测及结温实验验证等系统方法,通过双脉冲测试，对不同负载、驱动参数及环境条件下IGBT及二极管开关性能进行测试。基于所获得的损耗并考虑芯片间热耦合影响，建立了IGBT结温预估数学模型，通过结温实验验证了损耗模型及结温模型的准确性。本文的损耗模型及结温模型对解决工程实际问题具有较高的参考价值。