IGBT器件稳态及瞬态热模型仿真分析

宋飞, 梁哲兴, 张伟

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

0 引言

电力电子技术的发展日新月异，越来越多的电力电子产品被应用到船舶、矿山、车辆等行业领域。

随之而来的是电力电子产品的体积和重量等问题。体积和重量过大会严重限制电力电子产品的使用场合，降低产品的市场竞争力；体积和重量过小则会导致产品发热、可靠性降低等严重问题。

决定电力电子产品体积、重量的首要因素就是功率器件热损耗，热损耗计算的主要约束条件就是功率器件的结温[1]。在以往很多产品设计过程中功率器件损耗的计算大多是采用等效方法、经验公式等手段，并未深入分析基波频率、开关频率、器件热抗等因素所引起的功率器件结温的变化[2,3]。

如何精确计算电力电子设备的损耗、准确选择散热器，是电力电子产品研发人员准确设计产品体积和重量的必要条件。

本文以108 T电动轮牵引变频器为例，对电力电子设备中功率器件IGBT的损耗、稳态结温、瞬态结温等参数进行深入分析，论述了一种更加精确的确定功率器件损耗及结温的方法。

1 功率器件损耗及其计算方法

在电力电子器件的应用中，IGBT和二极管主要工作在开关状态，并周期性地经历各种静态和瞬态的状态。而在每一个状态中，都会产生一部分功率损耗或能量损耗。这些功率损耗相加，即为开关器件的总功耗，该功耗会导致器件发热。因此，在应用半导体器件时，应准确计算功率器件损耗，使变流器在任一运行状态下均不得超过由制造商所给出的最大允许结温[4]。

图1列出了功率器件在开关运行状态下各项可能发生的功耗。

一般来说，IGBT的正向截止损耗、驱动回路的损耗、续流二极管的截止损耗在总损耗中所占比例较小，可忽略不计。

本文以108T电动轮牵引变频器为例，下图显示了其中1相电路的理想特性曲线[5]。

通过忽略一些次要因素，简化后可得损耗计算公式如下：

IGBT通态损耗：

二极管通态损耗：

IGBT开关损耗：

二极管开关损耗：

2 热阻和热抗

通常情况下，我们在进行 IGBT损耗及结温计算分析时，各环节热阻及温差如下图所示：

IGBT结温可用公式（5）表示：

上图所示并没有准确反映当损耗以周期性脉冲形式（方波/正弦半波）存在时，IGBT模块的热阻瞬态变化。我们可从如下图所示的IGBT热抗曲线来准确描述IGBT瞬态热阻。

从上述曲线中的数据可进一步将 IGBT热抗等效为如下图：

图中所示的 RC元件并不是真实的反映热传导的物理过程，该参数只是用来等效表明芯片的功率流和温度流。其中热阻R是一个稳态参数，可以反映芯片的静态物理特性参数。电容替代了真实的物理单元，它可以反映实际元件的热容量。

IGBT的结壳热阻及热抗可用下式表示：

3 热传递模型

考虑到 IGBT的等效热抗后简化热传递框图如下：

上述框图用公式表示如下：

续流二极管考虑热抗时热传递框图同上。利用Matlab建立仿真模型如下图。

仿真参数：基波频率32.5 Hz，IGBT平均总损耗324 W，二极管平均总损耗162 W，IGBT引线损耗 9 W，环境温度 55°，IGBT型号FF1000R17IE4，IGBT热抗参数如表 1。因本文仅研究IGBT热抗对结温的影响，故在此只考虑散热器的等效热阻。

稳态结温仿真模型只需将热抗中的热容取消即可。

4 稳态及瞬态结温仿真分析

利用上述模型，在总损耗不变，只改变基波频率时，进行仿真得到IGBT结温如下图。

从上图可看到，IGBT在不同基波频率时结温及其波动大小如下表所示

结合 108T电动轮牵引电机工况曲线（图 8），考虑到 IGBT热抗时的瞬态温升仿真结果如图 9所示。仿真参数：开关频率2 kHz，直流母线电压1060 VDC。

从上图可看出，牵引电机在低速区具有转矩大、频率低等特点。采用固定开关频率时，在低速时变频器输出电流大，牵引变频器IGBT在启动时结温偏高，达到约 137℃。由于 IGBT开关损耗占总损耗的比例较大，故在低频时对 IGBT开关频率进行优化，仿真结果如下。

从上图可以看出，在低频时采用优化开关频率后，低速工况时，牵引变频器IGBT损耗及结温大大降低，结温最高值降低到约98°，大大提高了设备的可靠性。

在本项目中所使用的 IGBT的设计最大使用结温在考虑一定的安全系数后为150°。采用优化开关频率后，使用相同的散热器时IGBT结温存在很大裕量，证明该散热器体积、重量仍有减小空间。该研究内容将在后续工作中进行。

5 结语

本文针对108 T电动轮牵引变频器中IGBT的损耗及结温进行了计算及仿真。指出了在牵引变频器在启动及低速工况时应考虑IGBT的热抗及其瞬态温升，搭建了IGBT瞬态及稳态传热模型，对IGBT的损耗及结温进行了仿真及分析。

利用本文提出的设计方法可以帮助电力电子研究领域的人员准确掌握变频器功率器件的损耗及温升情况，更加精确的设计变频的体积、重量，提高产品的市场竞争力，具有较大的参考意义。

[1] Srajber D. The Calculation of power dissipation for the IGBT and the inverse diode in circuits with sinusoidal output voltage, Electronica’92, München,Conf.-Proc.

[2] A. Laprade, G. Bober, R.H. Randall. A numerical method for evaluating current, voltage and temperature dependant IGBT switching and conduction losses, PCIM‘99-CD-ROM-Proceedings.

[3] Yun ChanSu, P. Regli, J. Waldmeyer, W. Fichtner.Static and dynamic thermal characteristics of IGBT power modules, ISPSD‘99, Toronto, 1999.

[4] 胡建辉,李锦庚,邹继斌等. 变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计[J]. 电工技术学报, 2009,24（3）:159～163.

[5] U.尼古莱, T.雷曼, J.裴措尔. 功率模块应用手册. 赛米控国际公司, 2003.