变频空调IPM 模块功率测试与技术研究报告分析

陈 斐

（广东美的制冷设备有限公司 佛山 528311）

前言

IPM 模块的可靠性与结温密切相关，在正常的工作状态下，IPM 模块的平均结温值（亦即IGBT 结温）不能超过125 ℃。在瞬态情况下，IPM 结温的峰值不能超过150 ℃。目前我们企业标准中关于IPM 模块温升标准的评判依据是散热器表面螺钉的温度不超过80 ℃。这种判断方法不便于对于不同的模块（功率，热阻不相同）进行统一的评价，因为结温Tj 和壳温Tc，IGBT 功率PD和其结壳热阻Rjc 的关系为Tj=Tc + PD*Rjc。和壳温相比，IPM 模块的结温更高。

在本报告中，通过对IPM 的功率PD 和输出电流的关系进行测试分析，则可以对不同的模块进行评估，并且可以获取IPM 模块安全工作的壳温和电流的范围，为IPM 可靠性的分析提供一个理论基础[1-3]。

1 实验部分

1.1 技术背景

IPM 模块的平均结温值高低对空调的使用寿命和安全性有着重要的影响，但是现有的测试方法无法准确进行测定，主要原因为[4]：

1）目前的企业标准中关于IPM 模块的发热试验主要有最大频率运行发热和最高室外环境温度运行发热。空调连续稳定运行后，待各测试温度点稳定后，记录各温度值。对于IPM模块，测量模块附近散热器表面的温度（壳温），要求温度不超过80 ℃。

2）由于IPM 模块内部的IGBT 在工作时会产生功率，因此IGBT 的结温相对于壳温有一定的温升，不同厂家的IPM 模块的功率和热阻不同，因此目前的测试方法无法对不同的IPM 模块进行统一的比较。

3）直接测量IPM 模块内部的结温需要复杂的设备或者特殊准备的样品（内部预埋有热电偶的IPM 样品）。结合目前的实际情况，我们采用测量IPM 功率的方法来间接的测量IPM 的结温。

1.2 测试方案

为准确测量IPM 的结温，设计了以下的测试方案：

1）功率测试采用横河WT1600 功率计，通过测量逆变器直流侧的输入功率Pin 和三相交流侧的输出功率Pout，计算IPM 模块的功耗（PD=Pin-Pout），测试仪器设备见图1 和图2。

图1 横河WT1600 功率计

图2 横河WT1600 功率计数据截图

2）通过分析IPM 的功耗PD 与输出电流Iout 的关系，对比三洋、三垦、三菱IPM 模块的功耗的大小和散热性能的好坏。

3）通过IPM 的功耗PD 与热阻Rjc 计算IPM 模块的结温升，给出不同输出电流下的结温数值，并对比不同IPM 模块的结温升。

4）通过分析IPM 模块的壳温Tc 和IPM 的功耗PD之间的关系，可以分析不同电控方案散热器的散热性能，进而为散热性能的分析提供依据。

2 结果与讨论

2.1 测试数据

表1 给出了三洋模块STK621-033 的测试结果，在不同的压缩机频率下，IPM 模块的壳温，输入功率，输出功率，输出总均方根电流，输出总均方根电压均可以直接读出。类似的，可以对三洋新产品STK551U3A2C，三垦SCM1243，三菱PS219A4 模块进行测试，见表2。

表1 测试结果

表2 不同IPM 模块的功率和结到壳温升随输出电流的变化表格

2.2 结果分析

在本方案中，我们对目前海外电控采用的所有15 A模块：三洋STK621-033，三洋新产品STK551U3A2C，三垦SCM1243，三菱PS219A4 模块进行了功率测试。

IPM 模块的功率和输出电流的关系，可以采用二次函数（常数项为0，P=A*I2+B*I）拟合，所有模块拟合的相关性都较好，R2系数在0.99 左右。测试数据和拟合的曲线见图3 所示。

图3 测试数据和拟合的曲线

根据图3 的结果，在相同的输出电流下，IPM 模块功率从大到小依次是：三洋STK621-033，三垦SCM1243，三洋新产品STK551U3A2C，三菱PS219A4。三菱模块功率最小。在输出电流均方根值为4 A 时，三洋STK621-033 功率（29.85 W）比三菱PS219A4 功率（20.75 W）大50 %。

按照产品手册上给出的热阻（STK621-033：IGBT 5.0 k/W；STK551U3A2C：IGBT 3.5 K/W；PS219A4：IGBT 3.1 K/W； SCM1243：3.0 K/W），计算出的结到壳温升（Tj-Tc=Pd*Rth）如表2 和图4 所示。计算中忽略FRD 的功率，IPM 的功率为6 个IGBT 之和。在相同的输出电流下，IPM 结到壳温升从大到小依次是：三洋STK621-033，三洋新产品STK551U3A2C，三垦SCM1243，三菱PS219A4。三菱PS219A4 模块的结到壳温升最小，因此其可靠性最高。

图4 结到壳温升

相同温升下的输出电流对比。按照企标标准，取壳温Tc 为最大值80 ℃，结温的降额因子取0.80（结温为125*0.80=100 ℃）。三洋STK621-033，三洋新产品STK551U3A2C，三垦SCM1243，三菱PS219A4 模块的最大输出电流分别为3.5 A，5.2 A，6.0 A，6.0 A。显然三菱和三垦模块的输出电流更大。三垦模块的缺点是低电流下的结壳温升较高。

壳温Tc 和IPM 功率PD 的关系，可以表示为：Tc=PD*Rhs + Tx。其中Rhs 为散热器的热阻，Tx 为散热器附近空气边界层的温度[5-7]。壳温Tc 和IPM 功率PD的曲线如图5 所示，该曲线可以采用线性拟合，拟合的斜率为散热器的热阻数值。

图5 壳温Tc 和IPM 功率PD 的曲线

散热器的热阻数值越小，散热能力越好。三菱、三垦、三洋电控盒的结构分别如图6、图7 和图8 所示。根据图5 的拟合分析，三菱电控盒结构的散热器热阻最小，散热性能较好；而三垦和三洋电控盒结构热阻相对较大，散热性能一般。

图6 三菱电控盒的结构图

图7 三垦电控盒的结构图

图8 三洋电控盒的结构图

3 结论

本文通过对IPM 的功率PD 和输出电流的关系进行测试分析，则可以对不同的模块进行评估，并且可以获取IPM 模块安全工作的壳温和电流的范围，为IPM 可靠性的分析提供一个理论基础。采用此方法，对IPM 模块功率和结温的评估更加标准。建议后续作为新IPM 模块引入标准和新电控开发的可靠性评估标准，进行标准化的测试和评估。