變頻器功率模塊的選型及其在低頻輸出時(shí)的處理

1、    變頻器功率模塊的選型及其在低頻輸出時(shí)的處理    變頻器功率模塊的選型及其在低頻輸出時(shí)的處理    類別：電源技術(shù)                              

2、0;         李毅         初升        SEMIKRON International    熱計(jì)算是功率模塊選型的重要方面之一，目前發(fā)熱與可靠性計(jì)算正在逐步脫離靠經(jīng)驗(yàn)估算或模仿的范疇，而被精確的仿真計(jì)算所取代。本文介紹了功率半導(dǎo)體發(fā)熱仿真計(jì)算的歷史和原理，重點(diǎn)闡述了在變頻器低頻輸出工況下計(jì)算IG

3、BT等效結(jié)溫的方法。    20世紀(jì)90年代以來，IGBT(絕緣柵雙極晶體管)開始全面取代GTR(大功率雙極晶體管)，從而成為電力電子行業(yè)的主導(dǎo)器件。以IGBT功率器件為基礎(chǔ)的各種功率變換設(shè)備，如變頻器、不間斷電源、逆變焊機(jī)等逐步走向工業(yè)和民用的各個(gè)角落。特別是隨著新世紀(jì)的到來，人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)普遍加強(qiáng)，加之世界能源的日漸貧乏，電力電子器件與設(shè)備的應(yīng)用越來越得到人們的重視。    由于功率器件在開關(guān)運(yùn)行過程中，不可避免地產(chǎn)生大量的熱量，需要借助外部散熱系統(tǒng)來將之帶走。散熱不完全或不及時(shí)的直接后果是導(dǎo)致器件的溫度過高

4、，芯片的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化而失效，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致短路或其它爆炸事件。所以通過仿真計(jì)算與試驗(yàn)，確保器件在任何運(yùn)行狀態(tài)下都不超過給定的溫度，是電力電子設(shè)備熱路設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。    另外，運(yùn)行在交變工況下的功率器件，其芯片的溫升隨負(fù)載而上下波動(dòng)。由于器件內(nèi)部相互連接（焊接、鍵接、壓接等）的各部分受熱后的膨脹程度不一致，于是在連接處產(chǎn)生應(yīng)力，時(shí)間久了連接會(huì)發(fā)生疲勞直至器件失效。試驗(yàn)結(jié)果表明，器件的壽命主要與芯片溫度變化的幅度以及芯片的平均絕對溫度有關(guān)。圖1顯示了著名的LESIT研究結(jié)果 1。    所以，功率器件熱路

5、計(jì)算的另一個(gè)任務(wù)是推算特定負(fù)載條件下器件的溫度變化曲線，進(jìn)而設(shè)計(jì)與預(yù)測器件的可靠性與壽命。    最后，通過對器件損耗的計(jì)算，對系統(tǒng)的散熱進(jìn)行評估或優(yōu)化，是安全、經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)電力電子設(shè)備的一個(gè)重要組成部分。    器件功率損耗計(jì)算的原理    功率器件在運(yùn)行中，芯片內(nèi)部所產(chǎn)生的損耗可由下式表示：    在工程計(jì)算中，這一特性可以用一直線來近似，取該直線（b）與橫軸的交點(diǎn)（開啟電壓VT0）與直線的斜率（等效通態(tài)電阻rT）作為通態(tài)特性的基本參

6、數(shù)。我們得到：    其中：    Iav為通態(tài)電流的平均值；    Irms則為其有效值；    FI為電流波形系數(shù)。    功率器件在不同的應(yīng)用中，電流為正弦半波或脈沖方波，但均可由其有效值及平均值出發(fā)根據(jù)其通態(tài)特性來計(jì)算出其通態(tài)損耗。    同理可計(jì)算器件的正向或反向截止損耗。但一般來說這部分損耗可忽略不計(jì)。   

7、0;器件的開通或關(guān)斷損耗則可表達(dá)為：    其中：    為開關(guān)頻率；    為器件開關(guān)一次的開通或關(guān)斷損耗。在驅(qū)動(dòng)參數(shù)一定的情況下， 的值與直流母線電壓 、開通或關(guān)斷瞬間的負(fù)載電流 及芯片結(jié)溫 有關(guān)。    正弦調(diào)制PWM逆變器的功耗與溫升計(jì)算    1992年，賽米控公司的D.Srajber首先提出了計(jì)算正弦調(diào)制的PWM逆變器的功耗與溫升的方法2。隨后，這一方法被廣大用戶以及其它制造商所接受和

8、引用3 4 5。該方法采用圖2所示的線性近似來計(jì)算一個(gè)正弦周期內(nèi)器件的平均損耗，進(jìn)而得到芯片的平均結(jié)溫：    通態(tài)損耗：    M為調(diào)制比， 為負(fù)載功率因數(shù)；    為IGBT在集電極電流為零時(shí)的開啟電壓， 為IGBT的通態(tài)電阻（輸出特性的斜率）； 為二極管在正向電流為零時(shí)的開啟電壓， 為二極管的通態(tài)電阻（輸出特性的斜率）； 為開關(guān)頻率， 為輸出電流峰值。    大量的實(shí)驗(yàn)證明，在逆變器輸出頻率為50Hz時(shí)，這一計(jì)算方法的結(jié)果是相當(dāng)準(zhǔn)

9、確的。盡管器件的實(shí)際功耗與輸出頻率同步波動(dòng)，但由于芯片傳熱時(shí)間常數(shù)大大高于波動(dòng)的周期（=0.02s），結(jié)溫的變化不太明顯，僅在上下數(shù)度左右（參考圖3，6）。此時(shí)，使用平均結(jié)溫來代替最高結(jié)溫在工程上是允許的。    逆變器低頻輸出時(shí)功耗與溫升的推算    當(dāng)逆變器的輸出頻率降低，呈正弦半波狀的輸出電流在同一只器件上的停留時(shí)間變長。當(dāng)輸出電流在峰值附近時(shí)，最大電流對芯片的作用時(shí)間也相應(yīng)延長。而芯片的傳熱時(shí)間常數(shù)不變，芯片的結(jié)溫隨之迅速上升。頻率越低時(shí)，這一上升就越明顯，在輸出頻率為1-2Hz時(shí)，最大結(jié)溫甚至?xí)叱銎骄Y(jié)

10、溫20K以上。在輸出頻率接近0Hz時(shí)，芯片所承受的電流近似為 倍于額定電流的直流，此時(shí)結(jié)溫達(dá)到最大值（圖3）。    圖3：不同基波輸出頻率下的最大結(jié)溫與平均結(jié)溫的關(guān)系 6    在4中，對以上這一現(xiàn)象的研究導(dǎo)致了所謂頻率校正系數(shù)的引入。頻率校正系數(shù)    在計(jì)算低頻運(yùn)行的結(jié)溫時(shí)，采用計(jì)算而得的平均結(jié)溫與殼溫之差，再乘以相應(yīng)頻率下的頻率校正系數(shù)，便可得出最大結(jié)溫。    當(dāng)散熱條件改變時(shí)，特別是當(dāng)散熱器有所不同時(shí)，頻率校正系數(shù)的曲線略有

11、變化，采用頻率校正系數(shù)來推算最大結(jié)溫的方法產(chǎn)生了一定的局限性。    逆變器低頻輸出時(shí)功耗與溫升的仿真計(jì)算    為了在低輸出頻率時(shí)更準(zhǔn)確地計(jì)算最大結(jié)溫，可以先計(jì)算功率器件的瞬時(shí)功率損耗。然后根據(jù)器件與散熱器的動(dòng)態(tài)傳熱模型計(jì)算出芯片的瞬態(tài)結(jié)溫。在計(jì)算中，芯片的溫度由其損耗所決定，而損耗又與芯片的參數(shù)相關(guān)，后者最終隨芯片的溫度而變化。所以，計(jì)算過程是一個(gè)用迭代法來逐步逼進(jìn)的過程。    另外在計(jì)算中，需要建立器件與散熱器的動(dòng)態(tài)傳熱模型。由7可知，兩者均可通過如圖5所示的串聯(lián)RC

12、元件來等效。一般來說，在電力電子散熱系統(tǒng)中，使用3-5組RC元件便可以足夠精確地描述系統(tǒng)的各部分，如芯片底板、底板散熱器、散熱器空氣等。    該等效模型中RC元件的參數(shù)可以通過實(shí)測器件或散熱器的發(fā)熱或冷卻曲線來獲得。為了給用戶提供方便，賽米控在其技術(shù)手冊中提供了所有器件的動(dòng)態(tài)熱參數(shù)，以及部分典型散熱器的熱參數(shù)。    芯片在時(shí)刻tQ相對于時(shí)刻t0時(shí)的溫升可由下式計(jì)算：    其中：    為第Q個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)的溫升，Q為一個(gè)脈沖序列所含

13、脈沖的個(gè)數(shù)；    P為每個(gè)脈沖的功率損耗；其計(jì)算公式如本文第二節(jié)所敘，其中VCE0、rCE等器件參數(shù)又為溫度T的函數(shù)。    、 為RC元件的參數(shù)。    在賽米控率先推出的SEMISEL仿真程序中，便采取了以上計(jì)算原理 8。程序中迭代算法的公式及流程如下：    計(jì)算結(jié)果    采用以上方法計(jì)算三相逆變器在輸出電流為純正弦波情況下的器件及散熱器溫度如圖6所示。由圖可清楚地看到結(jié)溫在電流周期性變

14、化時(shí)隨時(shí)間而周期性變化。    以上計(jì)算的結(jié)果可以用來檢查芯片的最大結(jié)溫以確保其在正常的范圍內(nèi)工作。在SEMISEL仿真程序中，程序直接根據(jù)計(jì)算出的溫度判定所選模塊是否恰當(dāng)，并同時(shí)給出了器件的各類損耗，便于用來作進(jìn)一步的分析和系統(tǒng)優(yōu)化。    例如，利用SEMISEL，可以對現(xiàn)有散熱系統(tǒng)進(jìn)行評估或采用虛擬散熱器來設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)。    另外，在交變負(fù)載情況下，如機(jī)車牽引、電梯、卷揚(yáng)機(jī)等，可以通過仿真器件溫度的波動(dòng)來預(yù)估器件的工作壽命。在這方面，一個(gè)典型的應(yīng)用例子是風(fēng)力發(fā)電。由于

15、風(fēng)力的極其不確定性，對壽命的預(yù)測是建立在大量的長時(shí)間測量基礎(chǔ)上的。應(yīng)用上述方法，賽米控成功地處理了單次采樣為15000組的數(shù)據(jù)，為客戶選型提供了可靠性參數(shù)。    還有，在給定最大運(yùn)行結(jié)溫的情況下，可以計(jì)算出器件的最大輸出電流與開關(guān)頻率及輸出頻率的關(guān)系。這樣就可以比較不同種類器件的電流輸出能力。圖7例示了不同開關(guān)頻率下某器件的最大輸出電流的仿真計(jì)算曲線。    圖7：不同開關(guān)頻率下的最大輸出電流仿真計(jì)算曲線    在仿真的基礎(chǔ)上，功率器件的選型（如不同種類器件之間的比較）、參

16、數(shù)的優(yōu)化（如通過計(jì)算得到的開關(guān)頻率曲線、輸出頻率曲線、效率曲線等）、散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（熱阻的確定，熱路的優(yōu)化）變得非常簡單明了。仿真按優(yōu)化方案設(shè)計(jì)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證成為現(xiàn)代電力電子設(shè)計(jì)的必由之路。在這一方面，賽米控的仿真程序SEMISEL提供了一個(gè)易學(xué)易用、界面友好的初步工具。下一步的開發(fā)，將集中在如何對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多方面的自動(dòng)評估方面上，如預(yù)期壽命、驅(qū)動(dòng)參數(shù)等。而一個(gè)功能更加強(qiáng)大的、概括各廠商器件、便于用戶快捷對比選型的通用熱仿真程序還等待著有志者去開發(fā)。鑒于在蓬勃發(fā)展的變頻器大市場中，仿真程序本身也可以成為一個(gè)成功的賣點(diǎn)，賽米控期待著與有志之士合作，共攀高峰。有關(guān)此類從變頻器制造商角度出發(fā)的器件仿

17、真綜合商用程序的市場價(jià)值及其可行性的研究將另文發(fā)表，有興趣者可向作者查詢。    結(jié)論    正確的數(shù)學(xué)模型、先進(jìn)而穩(wěn)定的算法確保了功率模塊熱計(jì)算的精準(zhǔn)性，從而使功率模塊的選型更加簡單與準(zhǔn)確。基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的仿真程序，可以縮短開發(fā)周期，評估不同方案，經(jīng)濟(jì)性和前瞻性尤為突出。    參考文獻(xiàn):    1M.Held, P.Jacob, G.Nicoletti, P.Scacco, M.H.Poech, “Fast Power Cycl

18、ing Test for IGBT Modules in Traction Application”, Proc. Power Electronics and Drive Systems, 1997, pp. 425-430    2D.Srajber, W.Lukasch, “The Calculation of the Power Dissipation for the IGBT and the Inverse Diode in Circuits with the Sinusoidal Output Voltage”, 1992    3“Dimensioning Program IPOSIM fo