1. 簡介

電機(jī)控制器的功率模塊，即IGBT器件和續(xù)流二極管，在開關(guān)和導(dǎo)通電流會(huì)產(chǎn)生損耗，損失的能量會(huì)轉(zhuǎn)化成熱能，表現(xiàn)為功率模塊發(fā)熱。電機(jī)控制器功率模塊的可靠性和壽命極大地受到工作結(jié)溫Tj的影響。雖然IGBT和二極管的PN結(jié)溫度無法直接測(cè)量，但可以通過間接的測(cè)量和計(jì)算來獲取。當(dāng)前，電機(jī)控制器功率模塊結(jié)溫的計(jì)算已成為大家普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。下面我們來聊聊功率模塊的結(jié)溫計(jì)算及其模型。

對(duì)于功率模塊中每個(gè)IGBT和二極管，損耗熱功率都來自結(jié)，其值最高。它的瞬時(shí)值等于IGBT或二極管的I x V乘積。熱量流過結(jié)構(gòu)的熱阻抗并散發(fā)到周圍環(huán)境中。其熱阻抗越低，結(jié)溫與周圍環(huán)境溫度的差值越小。采用熱等效回路模型來描述功率模塊器件的熱行為，如下圖1：

2. 功率模塊IGBT結(jié)溫計(jì)算

電機(jī)控制器功率模塊的結(jié)溫取決于IGBT晶體管和續(xù)流二極管的損耗，因此，根據(jù)熱等效回路，我們分別計(jì)算出IGBT結(jié)溫Tj,IGBT和續(xù)流二極管的結(jié)溫Tj,Diode,如下：

其中：

備注：IGBT晶體管和續(xù)流二極管的損耗的計(jì)算，請(qǐng)參考“新能汽車電機(jī)控制器功率模塊IGBT損耗的計(jì)算及其模型”。

對(duì)于熱阻抗的計(jì)算，我們可以采用分層熱模型分析傳熱過程。利用功率器件（即IGBT和二極管）的PN結(jié)的損耗送入分層熱模型并與周圍靜態(tài)溫度（即冷卻液溫度）來做比較，就可以計(jì)算出結(jié)溫的動(dòng)態(tài)變化。下面來介紹兩種熱模型，即π型熱等效回路和Cauer型熱等效回路，如圖2和圖4所示.

• π型熱等效回路：根據(jù)實(shí)際的物理層和材料沒有關(guān)系，適合通過計(jì)量測(cè)定熱阻和阻抗，如圖2. 使用π模型沒有必要知道確切的材料參數(shù)。Rth-Cth耦合的數(shù)目取決于測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量。
• Cauer型熱等效回路：根據(jù)功率模塊器件的實(shí)際物理層和材料直接建立模型，這個(gè)模型需要精確的材料參數(shù)，特別是相關(guān)層的橫向熱傳參數(shù)。所需Rth-Cth耦合的數(shù)目可以根據(jù)圖3功率模塊器件的結(jié)構(gòu)布置的設(shè)計(jì)而定。

圖2.π型熱等效回路

圖3. IGBT模塊示意圖

圖4.Cauer型熱等效回路

對(duì)于熱阻抗Zth,IGBT~~àIGBT and Zth,Diode~~àDiode可以通過π型熱等效回路來確定。圖3 π型熱等效回路可視作由4個(gè)Rth-Cth耦合并行組成，定義為PTTH單元，即Rth-Cth耦合濾波器，PTTH單元的離散實(shí)現(xiàn)方程式如下，具體推導(dǎo)過程可參考“新能源汽車電機(jī)控制器溫度計(jì)算及其模型—DC電容篇”，可知：

根據(jù)上述公式，可建立PTTH單元的simulink模型如下圖5.

圖5, PTTH單元simulink模型

現(xiàn)根據(jù)公式（2-1）和（2-2），定義如下：

根據(jù)π型熱等效回路可得：

將公式（2-5）離散化，離散化過程可參考公式（2-3），（離散后的公式這里就不再具體列出），可參考△Tj, IGBT->IGBT計(jì)算的Simulink模型如下圖6。

圖6，△Tj, IGBT->IGBT計(jì)算的Simulink模型

同理，可建立△Tj, diode->diode計(jì)算Simulink模型如下圖7所示：

圖7. △Tj, Diode->Diode計(jì)算的Simulink模型

對(duì)于熱阻抗Zth,IGBT~~àDiode和 Zth,Diode~~àIGBT可以通過Cauer型熱等效回路來確定。圖4 Cauer型熱等效回路可視作由4個(gè)Rth-Cth耦合串行組成，可得：

因此，復(fù)用PTTH單元Simulink模型，可見，建立△Tj,Diode->IGBT和△Tj,IGBT->Diode的計(jì)算模型,如圖8和圖9所示。

其中:

圖8. △Tj, IGBT->Diode計(jì)算的Simulink模型

圖9. △Tj, Diode->IGBT計(jì)算的Simulink模型

根據(jù)公式（2-1）和（2-2），我們可得到IGBT的結(jié)溫和續(xù)流二極管的結(jié)溫，其兩者中較大者定義為電機(jī)控制器功率模塊最高結(jié)溫。如圖9.

圖10.電機(jī)控制器功率模塊結(jié)溫的Simulink模型。

下面逐一分析輸入：

關(guān)于IGBT晶體管和續(xù)流二極管的損耗的計(jì)算，請(qǐng)參考“新能源汽車電機(jī)控制器功率模塊IGBT損耗的計(jì)算及其模型”

關(guān)于冷卻液，如果冷卻液溫度變化非?？?，則功率模塊的溫度也會(huì)以相同的方式變化。為了防止這種情況，用于計(jì)算元器件溫度的冷卻液溫度也需通過低通濾波器進(jìn)行過濾。另外，還需考慮功率模塊損耗引起的溫升。

關(guān)于熱阻Rth、熱容Cth和熱阻抗Zth可以通過FEA仿真來獲取，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)計(jì)算出的結(jié)溫和實(shí)際的結(jié)溫來做比較，從而修正對(duì)應(yīng)的熱阻Rth、熱容Cth。其中實(shí)際的結(jié)溫可以通過校準(zhǔn)曲線來確定。校準(zhǔn)曲線可按以下方式獲?。?/p>

利用外部熱源加熱被測(cè)模塊，然后讓模塊通過很小的測(cè)量電流Iref,記錄此時(shí)的飽和電壓UCEsat，所選的Iref應(yīng)該足夠小，這樣損耗足夠小就可以忽略模塊的自加熱。在不同溫度下重復(fù)上述過程，可得函數(shù)UCEsat=f(Tj, Iref )的校準(zhǔn)曲線，如圖11所示。

圖 11.UCEsat=f(Tj, Iref )的校準(zhǔn)曲線

對(duì)于熱阻Rth和熱容充滿的時(shí)間常數(shù)，即Tau，會(huì)隨著冷卻液流量的變化而變化，需要考慮使用一維表查表來根據(jù)冷卻液流量進(jìn)行標(biāo)定修正。