基于車(chē)載數(shù)據(jù)的IGBT模塊損耗及結(jié)溫研究

水富麗，郭 佳，于 凱，荊海燕，李 剛

(1.西安中車(chē)電氣研究院 電力電子技術(shù)部，陜西 西安710018；2.西安中車(chē)永電電氣有限公司 電力電子事業(yè)部，陜西 西安710018)

隨著軌道交通行業(yè)的發(fā)展，對(duì)在線運(yùn)營(yíng)車(chē)輛關(guān)鍵部件及設(shè)備的故障預(yù)測(cè)與健康管理成為近年來(lái)行業(yè)研究的熱點(diǎn)，它對(duì)于保障車(chē)輛全壽命周期的可靠運(yùn)行、提升運(yùn)維效率起著非常重要的作用。IGBT模塊作為變流器的關(guān)鍵部件，長(zhǎng)期運(yùn)行于高di/dt和du/dt[1]、高頻干擾的環(huán)境，其故障率達(dá)65%[2]，是變流器可靠性研究的重點(diǎn)。由于牽引逆變器實(shí)際運(yùn)行工況多變、開(kāi)關(guān)頻率變化范圍寬[3]、外部環(huán)境復(fù)雜，使IGBT長(zhǎng)期承受不均衡的電熱應(yīng)力，由此引起的熱疲勞是導(dǎo)致IGBT可靠性降低的主要原因。

目前，IGBT可靠性的主流研究方法采用電應(yīng)力-熱應(yīng)力-壽命預(yù)測(cè)的技術(shù)路線，需要準(zhǔn)確計(jì)算IGBT的功率損耗，并將其作為輸入條件、采用熱網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算器件的結(jié)溫，再以長(zhǎng)時(shí)間結(jié)溫波動(dòng)數(shù)據(jù)為任務(wù)曲線、采用雨流算法和壽命預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)IGBT的壽命[4]。目前IGBT的功率損耗通常用文獻(xiàn)[5]中的簡(jiǎn)化公式來(lái)計(jì)算，文獻(xiàn)中明確說(shuō)明了僅適用于調(diào)制度小于1的情況。但軌道交通行業(yè)IGBT模塊的最大開(kāi)關(guān)頻率也只有1 000 Hz左右，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)制方式也具有多樣性[6]，導(dǎo)致計(jì)算所需的調(diào)制度、功率因數(shù)、開(kāi)關(guān)頻率等參數(shù)在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中很難準(zhǔn)確獲取[7]，且大多數(shù)逆變器在高速區(qū)采用方波過(guò)調(diào)制方式，所以采用文獻(xiàn)[5]中簡(jiǎn)化公式來(lái)進(jìn)行列車(chē)全速度范圍內(nèi)的損耗計(jì)算是不準(zhǔn)確的。

電熱比擬理論是熱網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)[8]，其原理是將 IGBT和FWD芯片損耗功率類比為電流源，將熱阻類比為電阻，將熱容類比為電容，然后在MATLAB等電路仿真軟件中搭建熱網(wǎng)絡(luò)模型，將電網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生的電壓降類比為輸入損耗在熱網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生的溫升，就可以計(jì)算得到IGBT 結(jié)溫。根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，熱網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)包括IGBT模塊、導(dǎo)熱硅脂和散熱器，目前有的研究認(rèn)為IGBT和FWD芯片損耗在導(dǎo)熱硅脂層就已經(jīng)完全耦合[9]，有的研究認(rèn)為二者在散熱器才耦合，哪一種結(jié)構(gòu)更合理還有待論證。熱網(wǎng)絡(luò)模型中IGBT模塊和散熱器的熱阻、熱容參數(shù)獲取都有各自參照的標(biāo)準(zhǔn)，可以參考零部件的數(shù)據(jù)手冊(cè)或技術(shù)條件，但其疊加得到的結(jié)溫結(jié)果是否準(zhǔn)確、是否滿足工程應(yīng)用需求，還需進(jìn)一步研究。

本文以CRH5型動(dòng)車(chē)組實(shí)際采集的車(chē)載數(shù)據(jù)類型為基礎(chǔ)，對(duì)處理后的數(shù)據(jù)采用數(shù)值積分法計(jì)算IGBT功率損耗，通過(guò)熱網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行IGBT結(jié)溫計(jì)算；采用ANSYS有限元仿真分析驗(yàn)證所選熱網(wǎng)絡(luò)模型的有效性和適用性，分析了熱網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)計(jì)算方式對(duì)結(jié)溫計(jì)算精度的影響。

1 車(chē)載數(shù)據(jù)采集方法及零漂處理

1.1 車(chē)載數(shù)據(jù)采集方法

IGBT模塊功率損耗計(jì)算中需要的調(diào)制度、占空比、功率因數(shù)等信息雖然很難獲取，但是這些信息包含在IGBT模塊上流過(guò)的電流脈沖數(shù)據(jù)中，若能以高頻采集的方式獲取IGBT模塊上流過(guò)的電流脈沖數(shù)據(jù)，采用數(shù)值積分法準(zhǔn)確計(jì)算IGBT模塊的損耗是可行的。下面介紹CRH5型動(dòng)車(chē)組牽引逆變器的數(shù)據(jù)采集方法。

CRH5型動(dòng)車(chē)組牽引逆變器主電路拓?fù)淙鐖D1所示，由于其結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，每個(gè)IGBT反并聯(lián)二極管上流過(guò)的電流相同。故數(shù)據(jù)采集只選取上橋臂H1，用外加電流環(huán)采集流過(guò)H1的IGBT集電極電流Ic，用外加電壓環(huán)采集H1的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓Vge。鑒于IGBT模塊兩端所承受電壓Vce在關(guān)斷時(shí)有上千伏，導(dǎo)通時(shí)只有幾伏，滿足量程要求的電壓環(huán)很難準(zhǔn)確測(cè)量導(dǎo)通時(shí)的小電壓值。所以，本文中不采集Vce，在后續(xù)的損耗計(jì)算中用電流對(duì)應(yīng)的飽和壓降來(lái)代替。車(chē)載數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用美國(guó)國(guó)家儀器有限公司(National Instruments，NI)的高速采集板卡，通過(guò)LabVIEW軟件進(jìn)行存儲(chǔ)，電壓、電流采集步長(zhǎng)為1μs。車(chē)載數(shù)據(jù)包含了車(chē)輛牽引加速、高速運(yùn)行、過(guò)分相、進(jìn)站停車(chē)等多種工況下的數(shù)據(jù)，圖2為Ic和Vge車(chē)載數(shù)據(jù)。

圖1 CRH5型動(dòng)車(chē)組逆變器主電路拓?fù)?/p>

圖2 IGBT集電極電流IC和驅(qū)動(dòng)電壓Vge車(chē)載數(shù)據(jù)

1.2 車(chē)載數(shù)據(jù)零漂處理

可能是由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用的是列車(chē)臨時(shí)供電，接地未設(shè)置良好的原因，在IGBT模塊關(guān)斷時(shí)車(chē)載原始數(shù)據(jù)制動(dòng)工況下的電流不為零，如圖3所示，且關(guān)斷時(shí)電流隨時(shí)間變化，存在較大的零漂。為保證損耗計(jì)算輸入的正確性，本文提出了一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的零漂識(shí)別方法，可借助編程解決大量原始數(shù)據(jù)中的零漂問(wèn)題。

圖3 制動(dòng)過(guò)程中車(chē)載設(shè)備所采部分電流

根據(jù)調(diào)制方式要保證波形的對(duì)稱性原則[7]，在一個(gè)正弦波周期內(nèi)，逆變功率模塊任一IGBT總導(dǎo)通占空比為0.5，意味著其關(guān)斷時(shí)間占50%。分析圖3所示數(shù)據(jù)，在正弦波周期時(shí)間尺度上關(guān)斷時(shí)所采集電流數(shù)值接近不變，而在其余50%導(dǎo)通期間所采電流數(shù)據(jù)處于變化狀態(tài)?；诮y(tǒng)計(jì)學(xué)原理，電流數(shù)據(jù)存在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)所采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)頻次最多的特征，即概率分布最大，所以選擇將關(guān)斷時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)頻次最多的數(shù)據(jù)作為零漂的典型值，采用軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速去零漂，具體步驟如下：

(1)將原始數(shù)據(jù)分為多段，分段原則：包含至少一個(gè)完整的正弦波周期；

(2)計(jì)算每段數(shù)據(jù)的概率分布，并找出概率分布最大的那個(gè)數(shù)據(jù)，作為零漂值Icz；

(3)對(duì)原始數(shù)據(jù)執(zhí)行Ic-Icz運(yùn)算。

圖4所示為制動(dòng)過(guò)程部分電流數(shù)據(jù)的概率分布，圖中標(biāo)注了Ic概率分布最大值(y)及其對(duì)應(yīng)的Ic(x)，x即識(shí)別出來(lái)的零漂值Icz。原Ic數(shù)據(jù)執(zhí)行減去零漂值Icz的操作，去零漂后的數(shù)據(jù)如圖5所示，可以看出，所采用的去零漂算法是有效的。

圖4 部分電流數(shù)據(jù)的概率分布

圖5 去零漂后部分電流數(shù)據(jù)

2 IGBT模塊損耗計(jì)算

2.1 IGBT模塊損耗計(jì)算方法

IGBT模塊包含IGBT和FWD(續(xù)流二極管)2種芯片。工作中IGBT產(chǎn)生的損耗包含開(kāi)通損耗、通態(tài)損耗、關(guān)斷損耗、截止損耗和驅(qū)動(dòng)功率損耗，后兩項(xiàng)損耗在總損耗中占比很低，常忽略不計(jì)。與IGBT相比，F(xiàn)WD在工作中不產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)損耗，開(kāi)通損耗及截止損耗很小，主要損耗就是通態(tài)損耗和關(guān)斷損耗。針對(duì)車(chē)載設(shè)備采集到的離散脈沖電流數(shù)據(jù)，IGBT及FWD的各損耗計(jì)算公式如下：

IGBT開(kāi)通損耗：

Eon=fon(Ic(k))Cron

(1)

IGBT通態(tài)損耗：

(2)

IGBT關(guān)斷損耗：

Eoff=foff(Ic(k))kroff

(3)

FWD通態(tài)損耗：

(4)

FWD反向恢復(fù)損耗：

Erec=frec(If(k))

(5)

式中，fon、foff、frec為器件手冊(cè)上IGBT開(kāi)通損耗、IGBT關(guān)斷損耗、FWD反向恢復(fù)損耗曲線的函數(shù)表示；Vce(k)、Vf(k)分別為k時(shí)刻電流對(duì)應(yīng)的IGBT飽和壓降、FWD飽和壓降，根據(jù)器件手冊(cè)中曲線將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為關(guān)于電流的函數(shù)來(lái)計(jì)算；Ts為電流數(shù)據(jù)采樣步長(zhǎng)；kon、koff分別為電流脈沖導(dǎo)通時(shí)刻、關(guān)斷時(shí)刻。鑒于門(mén)極電阻對(duì)開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗影響較大，本文采用了線性修正，Cron、Croff分別為開(kāi)通門(mén)極電阻修正系數(shù)和關(guān)斷門(mén)極電阻修正系數(shù)。

進(jìn)一步可以計(jì)算每個(gè)電流脈沖的平均功率損耗：

Pigbt=(Eon+Esum-igbt+Eoff)/T

(6)

Pfwd=(Esum-fwd+Erec)/T

(7)

其中，T=koff-kon

(8)

式中：T——脈沖電流持續(xù)時(shí)間。

2.2 IGBT損耗計(jì)算實(shí)現(xiàn)方式

從上述車(chē)載數(shù)據(jù)可以看出，所采集電流脈沖在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)通常是IGBT和FWD間或?qū)?，即一個(gè)電流脈沖中即存在IGBT導(dǎo)通(電流為正)，又存在FWD導(dǎo)通(電流為負(fù))。本文采用數(shù)值積分法計(jì)算損耗(圖6)，具體步驟如下：

圖6 IGBT及FWD損耗計(jì)算流程圖

(1)先將所采集的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)Vge轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)邏輯變量g，對(duì)g進(jìn)行g(shù)(k)-g(k-1)運(yùn)算來(lái)判斷上升沿與下降沿；

(2)判斷為上升沿情況，即為開(kāi)通時(shí)刻，初始化通態(tài)損耗為0，此時(shí)若電流Ic>0，則為IGBT開(kāi)通，使能IGBT開(kāi)通損耗計(jì)算；

(3)若驅(qū)動(dòng)邏輯量g(k)為1，器件為導(dǎo)通狀態(tài)，使能通態(tài)損耗累積計(jì)算，若電流Ic>0，累積為IGBT通態(tài)損耗，若電流Ic<0，累積為FWD通態(tài)損耗。

(4)判斷為下降沿情況，即關(guān)斷時(shí)刻，停止通態(tài)損耗累積，使能關(guān)斷損耗計(jì)算，若電流Ic>0，計(jì)算IGBT關(guān)斷損耗，若電流Ic<0，計(jì)算FWD反向恢復(fù)損耗，之后計(jì)算開(kāi)通期間平均損耗功率。

根據(jù)圖6所示流程圖，計(jì)算得 IGBT及FWD的功率損耗(圖7)。

圖7 IGBT模塊損耗計(jì)算示意圖

2.3 車(chē)載數(shù)據(jù)IGBT損耗計(jì)算結(jié)果

選取CRH5型動(dòng)車(chē)組牽引逆變器上采集到的牽引過(guò)程(加速-過(guò)分相-高速)和制動(dòng)過(guò)程(高速運(yùn)行-過(guò)分相-制動(dòng)-停車(chē))2組典型工況的數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，采用本文提出的方法進(jìn)行損耗計(jì)算。為了直觀顯示并便于后續(xù)進(jìn)行有限元仿真，將1×10-6s采樣步長(zhǎng)的損耗數(shù)據(jù)處理為0.5 s步長(zhǎng)的損耗數(shù)據(jù)，圖8為牽引加速過(guò)程的損耗數(shù)據(jù)，圖9為制動(dòng)過(guò)程的損耗數(shù)據(jù)?？傮w來(lái)說(shuō)，牽引過(guò)程中IGBT模塊產(chǎn)生的損耗大于制動(dòng)過(guò)程的損耗。

圖8 IGBT模塊牽引過(guò)程損耗

圖9 IGBT模塊制動(dòng)過(guò)程功率損耗

3 熱網(wǎng)絡(luò)模型

3.1 熱網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)電熱比擬理論，IGBT熱網(wǎng)絡(luò)模型有Cauer模型和Foster模型2種形式。Foster模型結(jié)構(gòu)參數(shù)獲取較容易，但不能表征系統(tǒng)實(shí)際傳熱過(guò)程；Cauer模型對(duì)于IGBT模塊的傳熱描述貼近實(shí)際，但參數(shù)獲取較麻煩。本文選用了包括IGBT模塊、導(dǎo)熱硅脂和水冷基板的Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型，如圖10所示，選擇IGBT與FWD的損耗在導(dǎo)熱硅脂及水冷基板層完全耦合，后續(xù)將根據(jù)有限元仿真數(shù)據(jù)分析其合理性。根據(jù)IGBT模塊數(shù)據(jù)手冊(cè)，IGBT芯片與FWD芯片的熱網(wǎng)絡(luò)為4層，每層包含一個(gè)熱容和一個(gè)熱阻。R5grease、C5grease分別為導(dǎo)熱硅脂層的熱阻、熱容；R6plate、C6plate分別為水冷基板的熱阻、熱容；參數(shù)熱阻、熱容值均來(lái)自于部件供應(yīng)商。

圖10 帶水冷系統(tǒng)IGBT模塊Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型

3.2 有限元模型

根據(jù)圖11所示的包含芯片、焊料層、襯底 DCB 板、焊料層和底板的IGBT 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立詳細(xì)的多層IGBT物理模型。由于IGBT 模塊的上部和四周被硅凝膠灌封保護(hù)，但硅凝膠的熱導(dǎo)率很小，熱阻很大，通過(guò)元件外殼散失的熱量極少[10]，因此建模時(shí)省略硅凝膠。包含IGBT模塊、導(dǎo)熱硅脂、水冷基板的熱仿真模型如圖12所示。

圖11 IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖12 IGBT 模塊及水冷基板簡(jiǎn)化后模型

水冷基板內(nèi)冷卻液采用了55%乙二醇+45%純水的混合液，入水口溫度設(shè)為20 ℃。邊界條件選擇入口設(shè)置為速度入口邊界條件，出口設(shè)置為壓力出口邊界條件。

3.3 熱網(wǎng)絡(luò)模型導(dǎo)熱硅脂層耦合分析

從2.3損耗計(jì)算結(jié)果可知，相比FWD損耗IGBT損耗較大，顯然在熱傳導(dǎo)擴(kuò)散過(guò)程中，IGBT損耗對(duì)于FWD的殼溫影響大于FWD對(duì)IGBT的影響，因此本文以FWD殼溫為例分析熱耦合影響。由于Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型是多個(gè)一階電阻電容并聯(lián)慣性環(huán)節(jié)的線性疊加，所以對(duì)于FWD在導(dǎo)熱硅脂層的溫升ΔTgrease，可用式(8)表示：

(8)

式中:t——時(shí)間；

Pfwd——FWD的損耗；

式(8)所示時(shí)域模型可表示為微分方程式(9)，然后采用后向歐拉法[11]進(jìn)行離散化，可得R5grease的解析表達(dá)式(10)，其中Ts是離散運(yùn)算步長(zhǎng)。

(9)

(10)

在溫度變化不大的情況下材料物性參數(shù)變化較小，可認(rèn)為導(dǎo)熱硅脂的熱阻不變。本文采用2.2中介紹的有限元仿真來(lái)分析導(dǎo)熱硅脂層的耦合情況。有限元仿真得到的ΔTgrease包含了耦合信息，以ΔTgrease為已知，分析2種極端情況假設(shè)，即不存在耦合Pfwd和完全耦合(Pfwd+Pigbt)，用公式(10)分別計(jì)算對(duì)應(yīng)的熱阻，觀察熱阻在各工況下的一致性來(lái)判斷哪種假設(shè)更接近實(shí)際情況。

以2.3中數(shù)值積分法計(jì)算的制動(dòng)過(guò)程功率損耗為輸入，進(jìn)行有限元仿真，提取導(dǎo)熱硅脂層溫升ΔTgrease。用式(10)計(jì)算兩種假設(shè)情況下各工況熱阻；完全耦合IGBT損耗和FWD損耗輸入情況下計(jì)算的熱阻記為R5grease1，不存在耦合僅FWD損耗輸入情況下計(jì)算的熱阻記為R5grease2，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖13。

圖13 2種假設(shè)條件下制動(dòng)工況FWD對(duì)應(yīng)導(dǎo)熱硅脂層熱阻

從圖13可以看出，在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中，完全耦合情況下，R5grease1的值屬于小范圍波動(dòng)，趨于穩(wěn)定，且與廠家給定數(shù)值相符，而不存在耦合情況下的R5grease2大范圍波動(dòng)。由于導(dǎo)熱硅脂熱阻基本不變，所以IGBT損耗與FWD損耗不存在耦合這種假設(shè)是不合理的，損耗完全耦合情況更接近實(shí)際情況。R5grease1小范圍波動(dòng)是由完全耦合的假設(shè)引起的，實(shí)際情況是在導(dǎo)熱硅脂層IGBT損耗與FWD損耗部分耦合?；谏鲜龇治?，對(duì)于工程計(jì)算，導(dǎo)熱硅脂層完全耦合的熱網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且接近實(shí)際，可滿足應(yīng)用需求。

4 熱網(wǎng)絡(luò)模型和有限元仿真結(jié)溫結(jié)果對(duì)比分析

以2.3中牽引加速及制動(dòng)停車(chē)工況損耗計(jì)算結(jié)果作為輸入，以水冷基板入水口處位置的IGBT模塊為分析對(duì)象，分別采用Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型及有限元瞬態(tài)仿真，對(duì)所得IGBT器件結(jié)溫(Tj)進(jìn)行對(duì)比分析?？紤]結(jié)溫最大的芯片所承受的熱應(yīng)力最大，最先疲勞失效，故有限元仿真抽取結(jié)溫最高的IGBT芯片和FWD芯片的溫度值。Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型屬于集總參數(shù)法模型，所計(jì)算結(jié)溫更多體現(xiàn)的是平均結(jié)溫特性。

圖14所示為牽引加速過(guò)程2種模型的結(jié)溫對(duì)比。從圖中可以看出，二者結(jié)溫波動(dòng)趨勢(shì)一致，但熱網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算得出的結(jié)溫大于有限元模型得出的結(jié)溫，IGBT芯片和FWD芯片的最大偏差分別約為4 ℃和5 ℃。圖15所示為制動(dòng)過(guò)程2種模型的結(jié)溫計(jì)算對(duì)比，結(jié)果與牽引工況的結(jié)果相似。制動(dòng)過(guò)程中前50 s的數(shù)據(jù)為高速運(yùn)行段在仿真給定初始條件下達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，可不關(guān)注。

圖14 牽引加速過(guò)程結(jié)溫對(duì)比圖

圖15 制動(dòng)過(guò)程仿真IGBT模塊結(jié)溫對(duì)比圖

總體來(lái)說(shuō)，基于IGBT器件手冊(cè)所提供參數(shù)的熱網(wǎng)絡(luò)模型能夠反映結(jié)溫的波動(dòng)變化趨勢(shì)，但是在計(jì)算精度方面存在一定的偏差，結(jié)溫結(jié)果比有限元分析結(jié)果大。但在過(guò)分相段，2種模型都有一個(gè)較大的溫度下降，下降趨勢(shì)較一致，表明熱網(wǎng)絡(luò)模型中熱容參數(shù)與有限元模型較一致，故導(dǎo)致偏差的主要原因是熱阻。

為了進(jìn)一步分析2種模型結(jié)溫差異的原因，以制動(dòng)過(guò)程為例，對(duì)比2種模型所計(jì)算的殼溫及結(jié)殼溫升。

圖16為制動(dòng)停車(chē)過(guò)程中的IGBT殼溫(Tc)對(duì)比，從圖16可以看出，有限元仿真獲取的IGBT芯片最大殼溫與熱網(wǎng)絡(luò)模型所計(jì)算的殼溫基本吻合，但FWD芯片的最高殼溫小于熱網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算的殼溫。

圖16 制動(dòng)過(guò)程殼溫對(duì)比圖

有限元仿真所測(cè)器件殼溫為芯片結(jié)溫最大點(diǎn)垂直方向上對(duì)應(yīng)的殼溫。GB/T 8446.2—2004《電力半導(dǎo)體器件用散熱器-第2部分熱阻和流阻測(cè)試方法》中散熱器熱阻的定義，為散熱器表面最高溫度與入水口溫度之差與輸入熱損耗的比值[12]。采用水冷基板廠家提供參數(shù)，熱網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算得到的是水冷基板表面最高溫度，導(dǎo)熱硅脂層熱阻選用的是結(jié)溫最高IGBT芯片正下方導(dǎo)熱硅脂層溫差與損耗之比。對(duì)IGBT芯片來(lái)說(shuō)，熱網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算的殼溫點(diǎn)與有限元提取的殼溫點(diǎn)重合，故2種模型得到的IGBT芯片對(duì)應(yīng)垂向位置的殼溫一致。根據(jù)有限元仿真結(jié)果可知，F(xiàn)WD芯片垂向位置對(duì)應(yīng)殼溫不是最大殼溫，所以用熱網(wǎng)絡(luò)模型所計(jì)算殼溫去表征FWD殼溫必然存在偏差。

圖17所示為制動(dòng)過(guò)程中2種模型的結(jié)殼溫升對(duì)比，對(duì)于IGBT和FWD結(jié)到殼間的溫升(ΔTjc)，熱網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模型計(jì)算的結(jié)果都大于有限元仿真的結(jié)果。有限元仿真得到的IGBT和FWD的結(jié)殼溫度可以理解為最高結(jié)溫IGBT芯片與FWD芯片在垂直傳熱方向上的溫升。由于IEC 60747-9：2007中IGBT的熱阻定義為芯片平均溫度與IGBT模塊底板平均溫度之差與輸入損耗的比值[13]，即功率器件手冊(cè)上提供的熱阻參數(shù)為平均熱阻，所計(jì)算結(jié)殼溫升為IGBT模塊底板與IGBT芯片間的平均溫升；所以IGBT熱阻參數(shù)的定義與有限元仿真數(shù)據(jù)提取方式的差異是兩種模型仿真結(jié)果差異的根源。

圖17 制動(dòng)過(guò)程IGBT模塊結(jié)殼溫升對(duì)比圖

為了進(jìn)一步分析2種模型IGBT熱阻的差別，截取所分析IGBT模塊制動(dòng)過(guò)程中176 s時(shí)的有限元仿真數(shù)據(jù)，該時(shí)刻工況為高速運(yùn)行中的穩(wěn)態(tài)工況，其底板溫度分布見(jiàn)圖18，IGBT芯片的溫度分布見(jiàn)圖19，在ANSYS軟件中可提取其最大溫度和平均溫度。176 s時(shí)IGBT功率損耗為334 W，溫差值除以損耗值即可得熱阻。表1為2種模型對(duì)應(yīng)的IGBT熱阻計(jì)算，從表1中可知，以IGBT芯片溫度最高點(diǎn)垂向溫差計(jì)算的熱阻小于遵循IEC 60747-9：2007計(jì)算的熱阻，這是造成熱網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算結(jié)殼溫度大于有限元仿真的原因。從所選型號(hào)IGBT模塊的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，其總熱阻(Rth)為0.008 69 K/W，與176 s穩(wěn)態(tài)工況有限元仿真數(shù)據(jù)計(jì)算的熱阻0.008 86 K/W非常近似，這也證明了所搭建有限元模型的有效性。

表1 兩種模型IGBT熱阻計(jì)算

圖18 IGBT模塊底板溫度分布圖

圖19 B1模塊IGBT芯片溫度分布圖

基于以上分析，熱網(wǎng)絡(luò)模型IGBT結(jié)溫偏大主要是由IGBT模塊平均熱阻偏差引起，熱網(wǎng)絡(luò)模型FWD結(jié)溫偏差由IGBT模塊平均熱阻偏差及殼溫偏差引起。散熱器熱阻所算殼溫為散熱器表面最大溫度，IGBT模塊熱阻所算溫升為底板溫度與芯片溫度的平均情況，兩者累積計(jì)算結(jié)溫時(shí)存在空間上的錯(cuò)位問(wèn)題。

5 總結(jié)

本文基于CRH5型動(dòng)車(chē)組車(chē)載IGBT模塊脈沖電流數(shù)據(jù)類型，提出了一種基于概率分布統(tǒng)計(jì)的去零漂方法，解決了原始數(shù)據(jù)存在的零漂問(wèn)題；針對(duì)實(shí)采數(shù)據(jù)提出了全工況范圍內(nèi)適合所有調(diào)制方式的數(shù)值積分損耗計(jì)算方法，計(jì)算了典型工況(牽引加速過(guò)程及減速制動(dòng)過(guò)程)的功率損耗；對(duì)于采用的Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型，分析了其在導(dǎo)熱硅脂層IGBT損耗與FWD損耗耦合的合理性，驗(yàn)證了基于數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)的熱網(wǎng)絡(luò)模型在表征結(jié)溫波動(dòng)時(shí)的有效性；分析了水冷基板與IGBT模塊熱阻國(guó)標(biāo)定義中空間上的錯(cuò)位是帶水冷基板熱網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)溫計(jì)算偏差的根本原因。給出兩點(diǎn)工程應(yīng)用建議如下：

(1)數(shù)值積分法比簡(jiǎn)化公式更適用于實(shí)際牽引系統(tǒng)IGBT模塊功率損耗計(jì)算，計(jì)算雖復(fù)雜但精度較高?？梢圆捎冒雽?shí)物等離線方法獲取各工況的損耗，以查表的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)在線損耗計(jì)算。

(2)采用導(dǎo)熱硅脂層IGBT損耗與FWD損耗完全耦合的熱網(wǎng)絡(luò)模型，基于IGBT模塊數(shù)據(jù)手冊(cè)和散熱器廠家提供的參數(shù)，所計(jì)算結(jié)溫基本能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)、選型等工程應(yīng)用需求。但對(duì)于IGBT器件壽命預(yù)測(cè)分析應(yīng)用場(chǎng)合，由于結(jié)溫最大的IGBT芯片及FWD芯片往往最先失效，之后會(huì)加速整個(gè)IGBT模塊的失效，所以IGBT模塊以最大結(jié)溫點(diǎn)垂向溫差來(lái)獲取熱阻參數(shù)，比遵循GB/T 8446.2—2004定義的熱阻參數(shù)能獲得更精確的結(jié)果。