调制方式对电动热泵压缩机控制器IGBT 温度影响*

周 仟 黄 波 范玉龙

（上海工程技术大学 上海 201620）

1 引言

随着新能源汽车在汽车市场所占比重的增加，其续航里程成了目前消费者主要关注的方向。与传统的燃油车不同，新能源没有发动机，所以在冬季制热时，没有热量的来源，只能依靠汽车电池包给PTC供电加热，根据文献［3］研究，几乎一半电池包的电量被用来冬季PTC制热，续航里程缩短了一半［3］。电动热泵压缩机不需要热量来源，原理与水泵相似，基于逆卡诺原理将空气中的热量搬到室内，实现制热，不需要通过电池包加热，有效地增加了续航里程。作为电动热泵压缩机的大脑，控制器的安全性，直接影响着驾驶员的安全。IGBT 作为主要的功率器件，它的安全直接关系到控制器的安全。根据研究表明大约60%的IGBT 永久性的实效是由温度导致［4］。IGBT 温升主要是由于内部损耗引起，有效减小IGBT 模块内部损耗，能够降低IGBT模块温度，保护IGBT的安全。

2 不同调制方式损耗分析

SVPWM 根据调制方式的不同主要分为：两相调制和三相调制。两相调制主要指三相中的两相参与调制，其余相恒高或恒低。三相调制指UVW三相都参与调制。表1 描述了三相调制和两相调制的开关顺序和每个基本空间矢量的作用时间。通过对比，我们可以发现在同一周期内，一个扇区三相调制上升和下降沿一共6 个，两相调制上升沿和下降沿一共4个（每个上升沿和下降沿表示IGBT开通与关断）。

表1 两种调制方式时间及开关次数对比

图1 为示波器在电动热泵压缩机稳定运行时采集到的相电流波形，从图上看，两种调制方式调制出的相电流波形相差不大，不影响控制。从开关次数上看，两相调制比三相调制在开关次数上确实会少很多。

图1 两种调制电流对比

3 调制方式对IGBT损耗的影响

3.1 调制方式对IGBT开关损耗影响

1）三相调制的开关损耗计算

根据文献［1］所述，以第一扇区为例，在与第一扇区相关的基本空间矢量有U4，U6，U7/0开关损耗主要是由电压和电流重合所引起的。本文采用三相电机，每相相差120°，在一个周期内一共包含三相的损耗，且在相同工况下，如若流过IGBT电流电压不变，我们可以认为每相开关一次产生的开关损耗相同（在数据手册提供的开关损耗计算参考值中包含了FWD 的反向恢复损耗，所以模型将IGBT 和FWD 在开关时的损耗合在一起计算）。通过文献［2］和文献［5］，我们可以总结出IGBT 模块损耗计算公式：

通过上述，我们可以得出IGBT 每相总的开关损耗公式如下：

由上述所知，每相在开关一次的所产生的损耗相同，可以得到总的开关损耗为

Eon_nom为25℃时开通能量损耗；Eoff_nom为25℃时关断能量损耗；Tj为IGBT 结温；Eon factorTj为数据手册中开通能耗曲线拟合斜率Eoff factorTj为数据手册中关断能耗曲线拟合斜率。K1为IGBT运行的实际电压与额定电压的比值；K2为IGBT运行时的实际电流与额定电流的比值。

2）两相调制的开关损耗计算

从表1 上看：我们可以得到在开关特性图上，三相中的U相为恒开状态，所以这一项不会产生开关损耗。由于是在系统稳定的时候来比较两相调制与三相调制对开关损耗的影响，所以每相开关一次时产生的损耗相同，我们可以得到一个周期内的损耗计算公式为

通过对比我们可以发现三相调制相比于两相调制在单个周期内相差了三分之一的开关损耗，总的开关损耗相差为fswE总。

3.2 调制对导通损耗影响

IGBT 导通损耗的大小与流过IGBT 的电流，导通压降和占空比相关。根据文献［10］可知导通压降Vce大小与流过其内部的电流大小相关，在一定程度上可以认为导通压降与电流成线性关系，所以饱和压降的表达式为

本文采用SVPWM 控制，可以得到此时的相电流时域表达式为

当采用两相调制时，UVW 三相中有一相恒高或者恒低，此时我们可以计算出每一相的作用时间。根据文献［15］可知，当目标向量落在各自扇区，根据矢量合成法则，可以得到基本矢量作用时间如下等式：

本文以U相的IGBT为研究对象，根据表1我们可以得到U相在第一扇区的导通占空比为

结合式（8）～（9）我们可以计算出其余扇区中U相占空比并汇总得：

同理我们可以得到三相调制下占空比表达式［6］：

φ为电压超前电流相位；m为调制比。

本文针对单个IGBT 模块进行研究，根据IGBT的工作特性，我们可以得到：单个IGBT的作用时间为半个周期，此时的导通损耗计算可以表示为

将三相调制占空比代入式（12）得［6］：

由于在一个周期内，IGBT 和FWD 的导通占空比加起来是1，所以我们可以计算出FWD的导通损耗［6］：

将两相调制的占空比带入计算得：

通过上述计算结果我们可以得出：在一个电流周期内，不管采用哪种调制方式，当系统稳定后，IGBT 模块导通损耗的大小与单个电流周期内时间没有关系，和电压超前角相关。

3.3 理想PMSM电机仿真

根据文献［1］搭建理想电机模型，如图2所示。

图2 理想电机仿真模型

设定电机转速为3000rpm，母线电压为330V，软件的开关频率为10K，模型SVPWM 模块中可以通过标定来切换调制方式（如图3所示）。

图3 SVPWM占空比计算模块

两种调制方式下仿真波形如表2所示。

从表2 仿真波形数据中我们可以发现（当采用两相调制时SW5flg 的数值为1，即每张波形图都有体现），三相调制和两相调制不会对相电流和IGBT导通损耗的大小产生影响，也验证了上节中导通损耗的大小与单次导通时间无关。

4 实验结果与分析

基于文献［9］中Simulink 仿真软件搭建结温估算模型如图4 所示，可以知道不同的调制方式在相同工况下IGBT 产生总损耗大小不同，进而IGBT 总的散热功率发生变化，造成IGBT 内部温升的大小发生改变，导致IGBT 模块的内部结温也会发生变化。

图4 结温估算模型［9］

为了验证不同调制方式对IGBT模块温度的影响，进行实机实验，先将压缩机驱动在一个稳定的0.3Mpa～1.5Mpa 的工况，平稳运行半小时后，开始进行标定，将两相调制与三相调制相切换，最后发现结果如图5所示。

图5 不同调制温度数据

从数据上看，当黄色曲线代表的Iq数值不发生向上趋势变化时，我们认为此时压缩机处于平衡状态。在外部负载不变的情况下，更改标定切换调制方式（如图红色曲线7T5SW_flg 为1 时是两相调制，值为0 是三相调制），可以看出绿色曲线所代表的母线功率DCHipower有明显的下降，此时采样的PCB 的温度（橙色曲线）有明显下降，下降了5.7℃。从IGBT 结温估算模型［9］中可以推出：当PCB温度下降，Tcase温度会下降，进而Tj温度也会有下降趋势。

5 结语

本文基于SVPWM 矢量控制为基础，分析了三相调制和两相调制对IGBT 模块的损耗的影响，并对两种调制方式下IGBT模块温度进行了分析。通过研究发现，三相调制的总损耗大于两相调制，损耗差异在开关损耗上，导通损耗大小不会发生变化。从温度上看，三相调制下的IGBT 模块温度要高于两相调制控制下温度。