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3. IGBT結溫動態溫升計算在實際應用中的意義
從上文的分析可看出，在設計IGBT模塊散熱系統時，不能只考慮IGBT的平均損耗功率，還必須考慮在低頻率輸出下的結溫波動。在標定系統各個轉速下的最大輸出電流時，必須設定相應的降額率。同時堵轉實驗也可近似考慮為接近0Hz的輸出頻率條件，標定最大堵轉時間時，也需要考慮IGBT結溫瞬態上升的安全范圍。
在實際應用中，電動汽車的滿載起步或低速爬坡工況是有必要對結溫動態溫升進行計算仿真的。下面我們以純電動巴士的實例來分析其過載與起步能力。例如系統規格如下：
-驅動器額定功率：，
-驅動額定輸出電流：，
-60秒內峰值輸出電流：
-電池電壓：，
-開關頻率：，
-輸出頻率：，
-電機極對數：n = 2，
-電機額定轉速：=3000 r/min，
-齒輪箱減速比：i = 5:1，
-輪胎直徑0.87m，周長L=2.75m。
根據公式：
以及：
可推算出輸出頻率與車速的關系大約為 1Hz=》1km/h，與電機轉速的關系為1Hz=》30r/min，電機額定轉速時對應頻率為100Hz。
我們可使用Infineon的IPOSIM在線版仿真工具的負載循環仿真計算的功能，對該車輛在起步，重載爬坡，高速過載，勻速輕載等幾個工況進行仿真計算結溫。
我們設定電機驅動器采用水冷，進口水溫60°C，假設三相橋每一個橋臂的散熱都是均衡的，散熱器針對一個橋臂的穩態熱阻為0.072K/W，散熱器熱平衡時間τ=14s。驅動器中的IGBT模塊選用英飛凌EconoDUAL?3系列的FF600R12ME4，CE阻斷電壓1200V，模塊額定電流600A，芯片采用第四代具有場終止溝槽柵技術，最高工作結溫150°C。
使用IPOSIM工具仿真，步驟及結果如下：
1） 穩態下fout=100Hz，Iout=150A，持續工作下IGBT結溫：Tvj_max = 109°C
2） 穩態下fout=5Hz，Iout=150A，持續工作下IGBT結溫：Tvj _max = 117°C
3） 穩態下fout=1Hz（近似堵轉工況），Iout=150A，持續工作下IGBT結溫：Tvj _max = 123°C
4） 模擬功率循環：fout=100Hz，Iout=150A穩態中出現60秒Iout=250A過載：
結溫波動曲線如圖5，最高結溫會達到142°C，在安全工作區以內
圖5 100Hz下過載功率循環結溫曲線
5） 模擬功率循環：fout=5Hz，Iout=150A穩態中出現60秒Iout=250A過載。
結溫波動曲線如圖6，最高結溫會到152°C，這將超過IGBT安全工作區。
圖6 5Hz下過載功率循環結溫曲線
對比仿真結果，在低頻穩態運行下和過載功率循環運行下IGBT結溫均高于高頻運行的工況。因此在低頻時尤其是堵轉工況下，需要限制電機控制器的過載電流輸出，峰值電流值需要相應降額。否則在應用中容易出現結溫超出安全工作區導致IGBT模塊的損壞。
4. 結論
IGBT模塊和散熱器的動態熱阻特性允許模塊短時間過載工作。合理的利用動態熱阻特性可使電機功率輸出性能提高，但同時必須在設計時精確的進行仿真計算，動態的控制不同輸出頻率下的電流限值。Infineon公司所提供的IPOSIM仿真工具，具有對穩態下和動態循環下的結溫仿真功能，使設計者在系統設定和模塊選型時能更加準確和安全。
參考文獻
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