IGBT溫度保護電機控制器熱管理電動汽車

隨著新能源汽車的發(fā)展，高性能的電動汽車在市場上有較好的需求，特斯拉的Model3電機功率達到220kW，蔚來的ES6電機功率達到160kW。
為了滿足對大功率電機的高性能控制，需要不斷地提升電驅(qū)系統(tǒng)的功率密度。在電機控制器方面，當前國外電機控制器主流的封裝形式是采用IGBT芯片雙面焊接和系統(tǒng)級封裝。電裝、博世、大陸等公司的電機控制器功率密度已達到16－25kW/L。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，在2025年電機控制器的功率密度會進一步提升，預計乘用車的電機控制器功率密度可以達到30－40kW/L;在電機方面，近年來隨著Hair-Pin高密度繞組技術(shù)的應用，大幅度降低了繞組發(fā)熱，提升了轉(zhuǎn)矩、功率密度以及效率，例如榮威MarvelX就采用了華域電動自主研發(fā)的Hair-Pin繞組結(jié)構(gòu)的高速驅(qū)動電機，功率密度達到3.8－4.6kW/L。電機控制器和電機的功率密度提升，意味著單位時間內(nèi)積累的熱能會更多，為了滿足車輛大功率的使用場景，對電驅(qū)動系統(tǒng)的熱量管理提出了更加嚴格的要求。
IGBT是電機控制器為關(guān)鍵的功率器件，為了提高電驅(qū)系統(tǒng)的可靠性和性能，需要獲得IGBT的溫升情況并主動進行熱管理。文獻通過改變IGBT開關(guān)頻率、調(diào)整調(diào)制模式等方法降低開關(guān)損耗，來降低結(jié)溫波動，但沒有考慮電頻率對結(jié)溫的影響。文獻提出基于頻段導向的功率器件熱管理控制技術(shù)，在不同頻率內(nèi)采用不同的熱管理策略，但是這種方法沒有考慮實際的整車運行工況。文獻提出適用于電動汽車的IGBT熱管理策略，但僅考慮了電流限制的方法，而沒有考慮開關(guān)頻率等因素的影響。
本文在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于電動汽車電機控制器功率器件的熱管理技術(shù)，既可以滿足整車的功率輸出，又可以有效地保護功率器件的安全。
01
電機控制器組成
電機控制器主要包含控制板、驅(qū)動板、接插件、殼體和冷卻管道等幾個部分，發(fā)熱較大的關(guān)鍵器件為功率器件IGBT、電容和直流母排等，其中為關(guān)鍵的器件是IGBT。圖1為上汽某項目的電機控制器爆炸圖。
在保持電壓等級、電機油溫、入水口溫度和冷卻水流量一致的情況下，且逆變器相同工作點在不同環(huán)境溫度下的溫度測試結(jié)果。表2是在同樣的環(huán)境溫度、電壓、油溫和冷卻水流量的情況下，且逆變器各部件在不同入水口溫度條件下的測試結(jié)果。從表1和表2的測試結(jié)果可以看出，在各個測試點中，IGBT結(jié)溫的溫升，是影響電機控制器工作能力的重要因素，因此有必要開發(fā)一種合理高效的IGBT熱管理應用技術(shù)，對IGBT進行熱保護。
02
IGBT熱管理技術(shù)
目前，主流電機控制器的功率器件采用英飛凌HPD模塊，它并未集成IGBT結(jié)溫傳感器，因此需要開發(fā)準確的結(jié)溫估算算法，即通過對IGBT的傳熱路徑和散熱條件進行數(shù)學建模，完成熱阻－熱容的熱網(wǎng)絡搭建，通過計算IGBT的實時損耗，并輸入到熱網(wǎng)絡模型中，得到IGBT結(jié)溫的實時值后，再采取熱管理策略進行熱保護。
IGBT物理層的結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，IGBT由基板層、系統(tǒng)焊接層、銅片、陶瓷層、芯片焊接層及芯片組成，為多層結(jié)構(gòu)，其熱量傳輸路徑比較復雜。
功率器件損耗計算
功率器件的損耗分為兩大類:開關(guān)損耗和導通損耗。對于開關(guān)損耗，由于含有IGBT和二極管兩種器件，可分為IGBT開通損耗E、IGBT關(guān)斷損耗E和二極管的反向恢復損耗E。
IGBT開關(guān)損耗測試及擬合
一般地，IGBT模塊開關(guān)損耗結(jié)果主要通過IGBT雙脈沖測試獲得，對于IGBT開關(guān)損耗主要關(guān)注E和E，對于二極管開關(guān)損耗主要關(guān)注E，雙脈沖測試設(shè)置方式如圖3所示。
下橋IGBT作為被測對象，用高壓隔離探頭取V電壓、用羅氏線圈取I電流、用高壓隔離探頭測量V信號以及用普通探頭測量PWM信號，同時對上橋IGBT的門極施加負壓，使上橋IGBT保持關(guān)斷狀態(tài)，僅使其續(xù)流二極管起作用。T1為雙脈沖個開通時段，T3為雙脈沖第二個開通時段。在驅(qū)動參數(shù)確定后，開關(guān)測試的數(shù)據(jù)E、E、E與母線電壓、電流和結(jié)溫都相關(guān)，因此開關(guān)損耗需要根據(jù)此3個維度的不同組合來獲得。
通過圖4可以看出，在一定結(jié)溫和電壓下，開通損耗Eon和關(guān)斷損耗Eoff與電流基本呈線性關(guān)系，因此可以采用或二次線性多項式對其進行擬合。根據(jù)雙脈沖在不同溫度和不同電流下測到的開關(guān)損耗數(shù)據(jù)繪制Eon、Eoff與母線電壓Udc之間的關(guān)系圖并進行擬合，在Eon、Eoff與電流呈線性關(guān)系的基礎(chǔ)上，IGBT開關(guān)損耗表達式為
式中:U為逆變器母線電壓值;Tj為IGBT結(jié)溫;I為集電極電流。a0、b0與Tj的關(guān)系如式(2)和式(3)所示，呈線性關(guān)系，而c0設(shè)為定值，此處c0取結(jié)溫下的值:
通過大量的試驗數(shù)據(jù)，可以擬合出比較準確的參數(shù)，進而用于計算各種不同工況下的開關(guān)損耗。
二極管反向恢復損耗
二極管的反向恢復損耗Erec與電流I呈非線性關(guān)系，同時需要兼顧在各個溫度和電壓下的關(guān)系，Erec與流過二極管的電流IF、母線電壓U及二極管結(jié)溫Tj的關(guān)系如式(4)所示，擬合的步驟同IGBT開關(guān)損耗。
導通損耗
IGBT/二極管的導通和前向壓降主要與瞬時電流和結(jié)溫相關(guān)，其關(guān)系需要利用定制的儀器進行測試，因此通常通過供應商獲得IGBT/二極管的導通和前向壓降與瞬時電流和結(jié)溫的關(guān)系曲線及數(shù)據(jù)。
熱阻網(wǎng)絡模型計算
目前，行業(yè)內(nèi)主要有兩種方法來進行熱網(wǎng)絡模型的建立。一種是基于物理模型———Cauer模型，每一組熱阻熱容都對應到實際物理模型的熱阻熱容參數(shù)。如圖5所示，該模型比較容易理解，每一層散熱材料都可以用相應的熱阻熱容來表示。但是Cauer模型有一定的缺陷，熱容參數(shù)都是相對于GND的參考點，一旦該參考點變化，比如參考點IGBT基板DCB溫度變?yōu)镮GBT散熱器溫度，則需要重新評估和測量熱容參數(shù)。
第二種是局部網(wǎng)絡熱路模型———Foster模型。如圖6所示，F(xiàn)oster模型不同于Cauer模型，ＲC節(jié)點不再與導熱材料一一對應，網(wǎng)絡節(jié)點沒有任何物理意義，只需要結(jié)溫和傳感器測量點之間的溫差就足夠了。
結(jié)溫估算算法開發(fā)及閉環(huán)測試
本文采用Foster模型，基于擬合的損耗參數(shù)和Foster熱阻參數(shù)，按照上述方法通過軟件實時計算IGBT和二極管的熱點溫度。結(jié)溫估算原理框圖如圖7所示，首先通過IGBT損耗實時計算模塊得到IGBT和二極管的損耗，將其代入到冷卻液水溫計算模塊，獲得冷卻液的溫度。，熱點溫度計算模塊根據(jù)IGBT損耗、二極管損耗和冷卻液溫度得到IGBT和二極管的溫度，并取兩者的值作為功率器件的熱點溫度T。
英飛凌公司提供了用于算法驗證的黑模塊，如圖8所示。這種方法屬于破壞性測量方法，需要將IGBT模塊打開，除去透明硅脂，然后將待測器件的芯片表面涂黑，通過紅外熱成像儀來進行測試。表面涂黑處理可以提高溫度測量的準確性，便于算法的標定及驗證。
與實際溫度相比，IGBT和二極管估算的溫度精度都在(－5，0)℃以內(nèi)。而實際應用中需要通過標定的修正系數(shù)將溫度估算偏差補償?shù)?0，+5)℃，使得IGBT在應用過程中有一個較好的溫度余量，避免因過溫而影響IGBT壽命。
IGBT熱管理策略
從控制方面看，影響結(jié)溫的主要因素包含以下幾個方面:
(1)開關(guān)頻率對結(jié)溫的影響及控制方法。隨著開關(guān)頻率的增大，IGBT的結(jié)溫和結(jié)溫變化值都近似于線性增加。若能夠在一定范圍內(nèi)對開關(guān)頻率進行調(diào)整，可以對結(jié)溫進行有效控制;
(2)電流對結(jié)溫的影響及控制方法。電流越大，導通損耗和開關(guān)損耗均會變大，IGBT的結(jié)溫也隨之增大。可根據(jù)估算結(jié)溫對電流幅值進行限制;
(3)不同輸出頻率下的溫度性能分析。輸出頻率對損耗和結(jié)溫都會產(chǎn)生較大的影響。輸出頻率對結(jié)溫波動的影響較大，尤其在低頻時，效果更加明顯。當器件長期工作在較低的輸出頻率時，
在產(chǎn)生損耗的正周期階段，器件會一直處于升溫狀態(tài)，連續(xù)工作時間越長，器件溫度的上升幅度越大，在經(jīng)過足夠長的時間后，器件容易發(fā)生熱擊穿;當輸出頻率較大時，器件己經(jīng)恢復到正常的工作循環(huán)模式，輸出周期時間短，因此器件升溫和降溫的時間也較為短暫，不會對器件造成過多的熱沖擊。
本文綜合考慮以上幾個因素，設(shè)計了IGBT的熱管理策略，如圖12所示。在實際應用中，當結(jié)溫過高時，首先根據(jù)轉(zhuǎn)速和扭矩命令獲得的開關(guān)頻率，在開關(guān)頻率以上，優(yōu)先通過降低開關(guān)頻率來降低開關(guān)損耗，緩解逆變器的熱沖擊，保證系統(tǒng)輸出大電流，而不影響輸出扭矩。當在開關(guān)頻率無法滿足功率輸出時，可以通過降低扭矩命令來降低輸出電流，可有效降低導通損耗，從而降低結(jié)溫，保護功率器件的安全。
為電機轉(zhuǎn)速為15r/min、冷卻液溫度為65℃下的熱管理策略測試結(jié)果:當結(jié)溫T接近125℃時，為了保持250N·m的扭矩輸出，開關(guān)頻率首先開始下降，當頻率下降到6kHz的開關(guān)頻率時，因開關(guān)頻率無法再下降，需要降低扭矩來維持結(jié)溫的上限，終扭矩命令下降到210N·m附近上下波動，在結(jié)溫不過溫和的開關(guān)頻率下實現(xiàn)了的能力輸出。