基于開關軌跡動態(tài)調(diào)整的變流器內(nèi)部熱管理

吳軍科，周雒維，王 博，李亞萍

(重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044)

基于開關軌跡動態(tài)調(diào)整的變流器內(nèi)部熱管理

吳軍科，周雒維，王 博，李亞萍

(重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044)

基于功率器件開關軌跡調(diào)整，提出了變流器內(nèi)部熱管理的一種新方法及其硬件實現(xiàn)電路。該熱管理電路主要包括緩沖電容、吸收電阻、溫控開關三部分，利用緩沖吸收電路參數(shù)調(diào)整實現(xiàn)變流器中功率器件結溫調(diào)節(jié)，通過控制溫控開關的占空比調(diào)節(jié)充放電能量實現(xiàn)器件結溫控制。闡述了功率器件結溫控制的一般性原理，并通過理論分析、仿真和實驗驗證了所提溫度控制方法在原理上的有效性和硬件實現(xiàn)上的可行性。

變流器；可靠性；熱管理；功率器件；運行軌跡

引言

隨著大功率變流技術在風電、光伏發(fā)電、機車牽引、電動汽車驅動等工業(yè)領域的推廣應用，功率變流器的可靠性問題越來越得到人們的廣泛關注［1-4］。功率變流器可靠性低下與其工作特點密切相關。變流器常常運行在處理功率大幅度隨機波動的場合，運行過程中功率模塊持續(xù)承受巨大的熱應力沖擊，加速變流器疲勞老化失效，縮短設備使用壽命。功率器件是變流器中失效率最高的部件之一。器件結溫越高，使用壽命越短，結溫變化幅度越大，使用壽命也越短。功率器件封裝失效的兩種主要模式，即鍵合線脫落和焊料層疲勞失效，均因結溫引起［2-3］。實際上，功率器件的許多其他失效原因，其本質(zhì)也與結溫息息相關。

功率器件運行過程中的結溫及其產(chǎn)生的熱應力沖擊，是影響器件可靠性的一個十分重要的因素，需要采取措施減小或平滑這種熱沖擊，因而需要對器件結溫進行調(diào)節(jié)。變流器熱管理是一種主動的壽命延長技術［5］。功率變流器熱管理包括器件內(nèi)部結溫控制和外部散熱控制兩類，前者是從熱量產(chǎn)生的源頭上進行控制，本質(zhì)是器件損耗控制，響應速度快，控制精度較高，稱之為內(nèi)部熱管理；后者是從功率模塊外部進行控制，本質(zhì)是熱阻控制，屬于傳統(tǒng)熱管理的范疇，響應速度較慢。內(nèi)部熱管理中，現(xiàn)有為數(shù)不多的有關器件結溫控制的研究僅限于開關頻率調(diào)節(jié)、開關調(diào)制方式調(diào)整以及負載電流調(diào)節(jié)等方法［6-9］。在實際功率變流器中，開關頻率的可調(diào)范圍有限，調(diào)節(jié)開關頻率對電能質(zhì)量亦有影響。而通過負載電流調(diào)節(jié)溫度的方式，在絕大多數(shù)場合都不被允許，因此該方法的實際應用受到諸多限制。通過改變開關調(diào)制方式實現(xiàn)對器件結溫的調(diào)節(jié)，具有較好的效果，但其本質(zhì)仍然是開關頻率調(diào)整。除與開關頻率調(diào)整相關的結溫控制策略外，還有少量文獻研究了直流鏈電壓調(diào)節(jié)、柵極驅動等內(nèi)部熱管理方法，但這些方法調(diào)節(jié)效果有限，需要進一步完善［10-11］。

因此，為實現(xiàn)變流器功率模塊熱管理的控制目標，從完善和解決現(xiàn)有內(nèi)部熱管理策略存在的問題出發(fā)，需要探索更多可行的結溫控制方案。本文提出了一種基于功率器件開關運行軌跡調(diào)整的變流器內(nèi)部熱管理方法。該方法基于傳統(tǒng)的緩沖吸收電路，通過改變緩沖電容充放電回路的等效電阻實現(xiàn)器件結溫控制。首選闡述了本方法的基本原理和相應的電路拓撲結構，然后分析了溫控電路的工作過程，最后進行了仿真和實驗驗證。

1 內(nèi)部熱管理的原理及控制思路

1.1 變開關軌跡實現(xiàn)結溫控制的原理

功率器件是變流器內(nèi)部的主要發(fā)熱源，變流器內(nèi)部熱管理主要指對器件結溫進行控制，即對器件損耗進行控制。這里考慮改變器件每次開通關斷的損耗。器件開關損耗表示為

式中：vce為器件開關過程中的集射極電壓；iC為集電極電流；ts為二者相重疊的時間區(qū)域。因此，要實現(xiàn)器件開關損耗控制，可以從調(diào)節(jié)器件開通關斷瞬間的電壓、電流以及二者之間的重疊區(qū)域3個方面考慮，即動態(tài)改變器件的開關軌跡。

在不改變系統(tǒng)開關頻率和輸入輸出功率的情況下，結溫控制總的思路是：通過改變器件開通關斷的動態(tài)運行軌跡，調(diào)節(jié)開關損耗。升溫可以通過適當增加開關瞬間電壓電流重疊區(qū)域或器件瞬時導通電流來實現(xiàn)，而降溫可以通過減小電壓電流重疊區(qū)域實現(xiàn)。上述結溫控制的思路如圖1所示。器件開通時增加瞬時導通電流升溫，關斷時減小電壓上升速率，從而減小電壓電流的重疊區(qū)域實現(xiàn)降溫。從圖中可以看出，器件升降溫時的開關軌跡并不一樣，升溫時器件瞬時導通電流較大，而降溫時集射極電壓變化率減小，不僅減小了電壓過沖，而且減小了電壓電流重疊區(qū)域，從而減小了關斷損耗。

圖1 結溫控制前后功率器件的運行軌跡Fig.1 Switching trajectory of IGBT with and without thermal control

結溫控制是為了減小器件內(nèi)部的熱應力沖擊，提高器件使用壽命。為評估結溫控制的效果，通?；谄骷勖Ｐ陀嬎銣囟瓤刂魄昂蟮膲勖那闆r。比較常用的是基于加速老化壽命試驗得到的解析壽命模型［12］，即

式中：K=2.03×10-14；β1=-4.416；β2=1285；β3=-0.463；β4=-0.716；β5=-0.761；β6=-0.5；ton為器件導通時間；IC為芯片導通電流；nw為芯片上并聯(lián)的鍵合線數(shù)量；V=VCN/100,VCN為額定電壓；D為鍵合線直徑，D=300。

根據(jù)Palmgren-Miner線性累積損傷理論［28］，每個溫度循環(huán)都會對器件造成一定的損傷，這些損傷逐漸積累后最終導致器件失效。通常采用器件的壽命消耗預測結果來評估其運行可靠性，即

式中：Nfi為第i種溫度應力條件下（平均溫度為Tjmi，溫度波動為Tji），器件失效前的預期循環(huán)次數(shù)；Ni為器件在同樣的溫度應力下已經(jīng)經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)。

1.2 結溫控制電路的提出

在電力電子系統(tǒng)中經(jīng)常用到的緩沖吸收電路能夠改變功率器件的開關軌跡?；赗CD緩沖吸收電路的基本工作原理，本文對其進行改進，提出一種帶輔助開關Stj的IGBT結溫控制電路，如圖2所示。期待通過對輔助開關的控制，實現(xiàn)降溫和升溫的目的。圖2中Ds為二極管，Rs為吸收電阻，Cs為緩沖電容。輔助開關可以是三極管，也可以是功率MOS管，以便控制升溫過程的放電電流。

圖2 帶輔助開關的器件結溫控制電路Fig.2 Junction temperature control circuit with auxiliary switch

通過圖2所提緩沖電路可以實現(xiàn)降低損耗減小結溫，升溫過程緩沖電容Cs通過開關Stj直接向IGBT放電，不經(jīng)過吸收電阻Rs。這樣緩沖能量幾乎全部消耗在IGBT器件上，而不是消耗在吸收電阻上，從而實現(xiàn)器件結溫迅速增大的目的。

對于沒有加緩沖電路的硬開關器件，通過緩沖電路減小關斷損耗，從而實現(xiàn)降溫；通過器件回路釋放緩沖電容上的電荷，增大開通損耗，從而實現(xiàn)升溫，即降溫時通過吸收電阻吸收緩沖能量，升溫時通過器件本身消耗緩沖能量。對于本身就有緩沖電路的IGBT器件，通過對溫控開關Stj的控制，可以調(diào)節(jié)緩沖電容釋放的電能，進而控制升溫大小，平滑溫度波動。

溫控開關的控制原理如圖3所示。即結溫高于參考溫度時溫控開關Stj關閉，只有關斷緩沖電路工作；結溫低于參考溫度時溫控開關Stj開啟，器件開通時緩沖電容通過Stj向IGBT放電。因溫控開關僅在需要升溫且IGBT開通時工作，為減小溫控開關對IGBT關斷過程的影響，將Tj與Tjref比較得到的占空比信號St與IGBT開通信號經(jīng)過邏輯 “與”操作，得到的信號用于控制溫控開關。

圖3 溫控開關的控制原理Fig.3 Control principle of thermal control switch

2 熱管理效果仿真分析

以圖4所示逆變器電路為例，分析處理功率波動時的結溫控制效果。圖中考慮了功率模塊內(nèi)外部的引線電感，外部4個引線電感均為0.1μH，模塊內(nèi)部引線電感的取值參考數(shù)據(jù)手冊，取0.03μH，主電路參數(shù)其他參數(shù)如表1所示。溫控電路的參數(shù)選取參考文獻 ［13-14］，經(jīng)計算緩沖電路參數(shù)為：Cs= 0.33μH，Rs=20 Ω。為考察負載功率波動時的情況，通過控制負載電阻R2來實現(xiàn)負載切換。負載功率變化時逆變器輸出波形如圖5所示。

圖4 考慮引線電感的逆變器主電路Fig.4 Power stage of inveter system with lead inductor

表1 逆變器主電路參數(shù)Tab.1 Main circuit parameters of the power inverter

圖5 負載功率變化時逆變器輸出波形Fig.5 Output waveforms of voltage and current when load changes

對IGBT器件仿真分為降溫過程和升溫過程。溫度控制前后IGBT開關波形如圖6所示。降溫過程是器件損耗減小的過程，施加降溫控制前后IGBT開關波形如圖6（a）所示。未加溫度控制時，IGBT關斷瞬間其集射極電壓過沖很大，上升速率也很快，施加溫度控制后電壓過沖減小，且上升速率減小，關斷損耗大大降低。

圖6 結溫控制前后IGBT開關波形Fig.6 Waveforms of IGBT switch with and without thermal control

控制結溫上升的過程IGBT開關波形如圖6（b）所示，從圖可以看出，施加溫度控制后，因緩沖電容的作用，開關關斷瞬間集射極電壓仍緩慢上升，關斷損耗有所減??；開關開通階段緩沖電容大部分電流流經(jīng)溫控開關直接向IGBT放電，開通損耗大大增加，綜合的效果是器件總損耗增加，器件結溫上升。

溫度平滑控制前后IGBT結溫及對應的器件壽命消耗情況如圖7所示。由圖（a）可見，溫度控制前，采用硬開關時最高結溫為78℃，最低結溫40℃，低頻結溫波動為28℃；而IGBT本身并聯(lián)有關斷緩沖電路時最高結溫為72℃，最低結溫39℃，低頻結溫波動22℃，見圖（b）；采用溫度平滑控制后最高結溫為72℃，最低結溫55℃，低頻結溫波動減小到4℃，輕載時基頻結溫波動略有抬升，見圖（c）。與硬開關相比，溫度控制后IGBT最高結溫減小了6℃，結溫波動幅度減小了24℃；與帶緩沖電路的IGBT相比，采用溫度控制后結溫波動幅度減小了18℃，因此溫度平滑控制大大減小了器件工作過程中的熱應力沖擊。但僅采用緩沖電路降溫并不能有效平滑溫度波動，減小結溫波動還需在輕載時適當升溫。

圖7 溫度平滑控制前后IGBT結溫及壽命消耗Fig.7 IGBT junction temperature and lifetime consumption under different control modes

圖7中所示IGBT壽命消耗是根據(jù)式（2）～式（3）計算得到的。對比溫度控制前后可以看出，在給定的工作時間內(nèi)，硬開關時IGBT壽命消耗為2×10-7，僅采用緩沖電路降溫時壽命消耗為1.8×10-7，溫度平滑控制后壽命消耗減小到0.68×10-7，說明采用溫度平滑控制大幅度減小了器件壽命消耗，延緩了器件疲勞老化速率。僅采用緩沖電路降溫時因結溫波動較大，減緩器件疲勞老化的效果不明顯。

3 實驗驗證

在仿真分析的基礎上，搭建變流器熱管理實驗平臺，驗證本文所提溫度控制策略的正確性。圖8給出了并聯(lián)在IGBT模塊兩端的溫控電路實物。圖中IGBT模塊已經(jīng)過開封處理，便于采用紅外測溫儀測量芯片表面的溫度。變流器主電路參數(shù)見表1。

圖8 溫度控制硬件電路Fig.8 Hardware implementation of thermal control circuit

溫度控制前后IGBT開關波形如圖9所示。溫度控制前IGBT的電壓電流開關波形如圖9（a）所示。從圖可以看出，開關關斷時IGBT集射極電壓上升速率很大；關斷損耗相應也較大；溫度控制分為升溫和降溫控制兩個過程，降溫過程IGBT電壓電流開關波形如圖9（b）所示，此時由于緩沖電路的作用，IGBT集射極電壓上升速率減?。魂P斷損耗減小，因而器件結溫也隨之減??；升溫過程IGBT電壓電流開關波形如圖9（c）所示，器件開通時刻溫控開關Stj開啟，緩沖電容直接向IGBT放電，放電電阻很小，放電電流較大，器件迅速升溫。

圖9 溫度控制前后IGBT開關波形Fig.9 Experimental switch waveforms of IGBT with and without thermal control

溫度控制前后IGBT芯片表面的溫度變化情況如圖10所示。從圖可以看出，溫度是隨著負載功率波動而動態(tài)變化的?？刂魄靶酒瑴囟炔▌臃却蠹s為10℃，施加溫度控制后，芯片溫度波動幅度大大減小，大約只有3℃。從而實現(xiàn)了器件結溫的平滑控制，減小了變流器處理功率波動時的器件內(nèi)部熱應力沖擊。此外，與結溫相比，IGBT開封模塊芯片表面溫度與仿真時的結溫存在一定差異，這是因為模塊開封后熱量除通過芯片底部的焊料層向底殼傳遞之外，還有較大一部分熱量直接散發(fā)到空氣中。至此，仿真和實驗均驗證了所提熱管理策略的有效性和可行性。

圖10 溫度控制前后IGBT芯片表面溫度Fig.10 Surface temperature of IGBT chip with and without thermal control

4 結語

本文提出并探討了變開關軌跡實現(xiàn)功率器件結溫控制的變流器內(nèi)部熱管理思想和具體實現(xiàn)方法。分析了功率器件開關軌跡的變化規(guī)律，基于傳統(tǒng)的緩沖吸收電路，通過附加相應的溫控開關，提出了一種用于功率器件結溫控制的電路。闡述了變開關軌跡調(diào)溫的原理，并以電壓型逆變器為對象，通過在主開關旁并聯(lián)溫控電路，從仿真和實驗角度驗證了溫控電路用于器件結溫控制的有效性，基于器件壽命模型從理論上對溫度控制的效果進行了分析。

必須指出，本文所提變開關軌跡溫控電路的拓撲還可以有其他更優(yōu)的形式，但其基本思路仍然不變。比如可以將文中緩沖電路的二極管和輔助開關合并為一個可控的充電開關，放電則通過電阻實現(xiàn)，從而可以通過對溫控開關的占空比控制，動態(tài)調(diào)節(jié)充電過程的開關軌跡，這樣溫控電路總損耗會更小，結溫控制精度也會更高。

［1］周雒維，吳軍科，杜雄，等.功率變流器的可靠性研究現(xiàn)狀及展望［J］.電源學報，2013,11（1）:1-15.Zhou Luowei,Wu Junke,Du Xiong,et al.Status and outlook of power converter’s reliability research［J］.Journal of Power Supply，2013,11（1）:1-15（in Chinese）.

［2］Ma K,Liserre M,Blaabjerg F,et al.Thermal loading and lifetime estimation for power device considering mission profiles in wind power converter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30（2）:590-602.

［3］周文棟，王學梅，張波，等.IGBT鍵合線失效研究［J］.電源學報，2016，14（1）：10-17.Zhou Wendong,Wang Xuemei,Zhang Bo,et al.Research on failures of bonding wire in IGBTs module［J］.Journal of Power Supply，2016，14（1）：10-17（in Chinese）.

［4］De León-Aldaco S E,Calleja H,Chan F,et al.Effect of the mission profile on the reliability of a power converter aimed at photovoltaic applications-a case study［J］.IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28（6）:2998-3007.

［5］Wang Xiang,Castellazzi A,Zanchetta P.Temperature control for reduced thermal cycling of power devices［C］.15th European Conference on Power Electronics and Applications（EPE）.Lille,France,2013:1-10.

［6］Andresen M,Liserre M,Buticchi G.Review of active thermal and lifetime control techniques for power electronic modules［C］.16th European Conference on Power Electronics and Applications（EPE'14-ECCE Europe）.Lappeenranta,Finland,2014:1-10.

［7］Chen Gen,Zhang Jianwen,Zhu Miao,et al.Adaptive thermal control for power fluctuation to improve lifetime of IGBTs in multi-MW medium voltage wind power converter［C］.Proc.Int.Conf.Power Electron.（IPEC-ECCE-ASIA）.Hiroshima,Japan,2014:1496-1500.

［8］Zhang Jianwen,Chen Gen,Cai Xu.Thermal smooth control for Multi-MW parallel wind power converter［C］.in Proc.IEEE TENCON.Xi'an,China,2013:1-4.

［9］Wei Lixiang,Guire J M C,Hu Jiangang.Novel discontinuous PWM control method to improve IGBT reliability at low speed［C］.IEEE Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）,2014.Pittsburgh,PA,USA,3819-3825.

［10］Lemmens J,Driesen J,Vanassche P.Dynamic DC-link voltage adaptation for thermal management of traction drives［C］.IEEE Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）.Denver,Colombia,2013:180-187.

［11］Wu Liang,Castellazzi A.Temperature adaptive driving of power semiconductor devices［C］.IEEE International Symposium on Industrial Electronics（ISIE）,2010.

［12］D’Arco S,Undeland T M,Bohllǐnder M,et al.A simplified algorithm for predicting power cycling lifetime in direct drive wind power systems［C］.Proceedings of the IEEE 9th International Multi-Conference on Systems,Signals and Devices（SSD）.Chemnitz,Germany,2012：1-6.

［13］Mohan N,Undeland T M,Robbins W P.Power Electronics-Converters,Applications and Design［M］.3rdedition（scan version）.Beijing:Higher Education Press,2003.

［14］吳軍科.非平穩(wěn)工況變流器IGBT模塊結溫平滑控制研究［D］.重慶：重慶大學,2015.Wu Junke.Study on Junction Temperature Smooth Control of IGBT Module in Power Converter Under Power Fluctuation Condition［D］.Chongqing:Chongqing University,2015（in Chinese）.

Internal Thermal Management of Power Converter Based on Switching Trace Adjustment

WU Junke,ZHOU Luowei,WANG Bo,LI Yaping
(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology, Chongqing University,Chongqing 400044,China)

A new idea and its implementation for internal thermal management of power converter based on the switching trace adjustment are proposed in this paper.The thermal control circuit consists of three components,a buffer capacitor,a snubber resistor and a temperature controlled switch.The hardware implementation of the idea has been presented based on the traditional snubber circuit and the corresponding temperature control switch.Charge-discharge energy can be adjusted to control the junction temperature by means of duty cycle control of the temperature controlled switch.In this paper,the general principle of junction temperature management has been described.Theoretical analysis, simulation and experimental validation demonstrate the effectiveness of the proposed thermal control idea and the feasibility of the thermal control circuit.

power converter;reliability;thermal management;power device;switching trace regulation

吳軍科

吳軍科（1986-），男，通信作者，博士，研究方向：功率變流器的可靠性及熱管理，E-mail:allen_wjk@163.com。

周雒維（1954-），男，博士，教授，博士生導師，研究方向：電力電子技術，電路理論及應用，E-mail:zluowei@cqu.edu.cn。

王博（1988-），男，博士研究生，研究方向：功率變流器可靠性，E-mail:wbo@cqu.edu.cn。

李亞萍（1980-），女，博士研究生，講師，研究方向：功率變流器狀態(tài)監(jiān)測，E-mail:liyaping425@163.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.46

TM 46

A

2015-12-03

國家自然科學基金重點資助項目(51137006)

Project Supported by the State Key Program of National Natural Science of China(51137006)