導讀

Reading guide

隨著新能源汽車行業的發展，電驅系統的功率密度越來越高，進而對電驅系統的熱管理能力提出了更高的要求，尤其是針對電機控制器中的關鍵功率器件———IGBT。文章介紹了電驅系統中IGBT的溫度估算和熱管理技術，該技術既能夠滿足最大能力輸出，又能夠實現電機控制器安全穩定的運行，對新能源汽車功率器件熱管理技術的應用有較好的借鑒和推廣意義。

隨著新能源汽車的發展，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系統的功率密度。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。隨著技術的進一步發展，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高密度繞組技術的應用，大幅度降低了繞組發熱，提升了轉矩、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的Hair-Pin繞組結構的高速驅動電機，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，對電驅動系統的熱量管理提出了更加嚴格的要求。

IGBT是電機控制器最為關鍵的功率器件，為了提高電驅系統的可靠性和性能，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開關頻率、調整調制模式等方法降低開關損耗，來降低結溫波動，但沒有考慮電頻率對結溫的影響。文獻提出基于頻段導向的功率器件熱管理控制技術，在不同頻率內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，而沒有考慮開關頻率等因素的影響。

本文在上述研究的基礎上，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，既可以滿足整車的最大功率輸出，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、驅動板、接插件、殼體和冷卻管道等幾個部分，發熱較大的關鍵器件為功率器件IGBT、電容和直流母排等，其中最為關鍵的器件是IGBT。圖1為上汽某項目的電機控制器爆炸圖。

圖1上汽某項目電機控制器爆炸圖

表1是在保持電壓等級、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境溫度下的溫度測試結果。表2是在同樣的環境溫度、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果。從表1和表2的測試結果可以看出，在各個測試點中，IGBT最高結溫的溫升最大，是影響電機控制器工作能力的最重要因素，因此有必要開發一種合理高效的IGBT熱管理應用技術，對IGBT進行熱保護。

表1上汽某項目系統不同環溫熱測試結果

表2 上汽某項目系統不同入水口溫度熱測試結果

02

IGBT熱管理技術

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結溫傳感器，因此需要開發準確的結溫估算算法，即通過對IGBT的傳熱路徑和散熱條件進行數學建模，完成熱阻－熱容的熱網絡搭建，通過計算IGBT的實時損耗，并輸入到熱網絡模型中，得到IGBT結溫的實時值后，再采取熱管理策略進行熱保護。

圖2為IGBT物理層的結構圖，從圖中可以看出，IGBT由基板層、系統焊接層、銅片、陶瓷層、芯片焊接層及芯片組成，為多層結構，其熱量傳輸路徑比較復雜。

圖2 IGBT物理層結構圖

功率器件損耗計算

功率器件的損耗分為兩大類:開關損耗和導通損耗。對于開關損耗，由于含有IGBT和二極管兩種器件，可分為IGBT開通損耗E、IGBT關斷損耗E和二極管的反向恢復損耗E。

IGBT開關損耗測試及擬合

一般地，IGBT模塊開關損耗結果主要通過IGBT雙脈沖測試獲得，對于IGBT開關損耗主要關注E和E，對于二極管開關損耗主要關注E，雙脈沖測試設置方式如圖3所示。

圖3 IGBT下橋開關損耗測試設置示意圖

在圖3中，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保持關斷狀態，僅使其續流二極管起作用。T1為雙脈沖第一個開通時段，T3為雙脈沖第二個開通時段。在驅動參數確定后，開關測試的數據E、E、E與母線電壓、電流和結溫都相關，因此開關損耗需要根據此3個維度的不同組合來獲得。

通過圖4可以看出，在一定結溫和電壓下，開通損耗Eon和關斷損耗Eoff與電流基本呈線性關系，因此可以采用一次或二次線性多項式對其進行擬合。根據雙脈沖在不同溫度和不同電流下測到的開關損耗數據繪制Eon、Eoff與母線電壓Udc之間的關系圖并進行擬合，在Eon、Eoff與電流呈線性關系的基礎上，IGBT開關損耗表達式為

式中:U為逆變器母線電壓值;Tj為IGBT結溫;I為集電極電流。a0、b0與Tj的關系如式(2)和式(3)所示，呈一次線性關系，而c0設為定值，此處c0取最高結溫下的值:

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圖4 IGBT不同工況下的損耗測試結果

通過大量的試驗數據，可以擬合出比較準確的參數，進而用于計算各種不同工況下的開關損耗。

二極管反向恢復損耗

二極管的反向恢復損耗Erec與電流I呈非線性關系，同時需要兼顧在各個溫度和電壓下的關系，Erec與流過二極管的電流IF、母線電壓U及二極管結溫Tj的關系如式(4)所示，擬合的步驟同IGBT開關損耗。

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溫相關，其關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溫的關系曲線及數據。

熱阻網絡模型計算

目前，行業內主要有兩種方法來進行熱網絡模型的建立。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。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溫度變為IGBT散熱器溫度，則需要重新評估和測量熱容參數。

圖5 Cauer模型示意圖

第二種是局部網絡熱路模型———Foster模型。如圖6所示，Foster模型不同于Cauer模型，ＲC節點不再與導熱材料一一對應，網絡節點沒有任何物理意義，只需要結溫和傳感器測量點之間的溫差就足夠了。

圖6 Foster模型示意圖

結溫估算算法開發及閉環測試

本文采用Foster模型，基于精確擬合的損耗參數和Foster熱阻參數，按照上述方法通過軟件實時計算IGBT和二極管的熱點溫度。結溫估算原理框圖如圖7所示，首先通過精確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。最后，熱點溫度計算模塊根據IGBT損耗、二極管損耗和冷卻液溫度得到IGBT和二極管的最高溫度，并取兩者的最大值作為功率器件的最高熱點溫度T。

圖7 結溫估算原理框圖

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，便于算法的精確標定及驗證。

圖8 用于閉環驗證的IGBT模塊

如圖9－11所示，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。而實際應用中需要通過標定的修正系數將溫度估算偏差補償到(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。

圖9 低頻(10Hz)下IGBT和二極管估算溫度與實測溫度

圖10 中頻(100Hz)IGBT和二極管估算溫度與實測溫度

圖11 高頻(800Hz)IGBT和二極管估算溫度與實測溫度

IGBT熱管理策略

從控制方面看，影響結溫的主要因素包含以下幾個方面:

(1)開關頻率對結溫的影響及控制方法。隨著開關頻率的增大，IGBT的最大結溫和結溫變化值都近似于線性增加。若能夠在一定范圍內對開關頻率進行調整，可以對結溫進行有效控制;

(2)電流對結溫的影響及控制方法。電流越大，導通損耗和開關損耗均會變大，IGBT的最大結溫也隨之增大。可根據估算結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溫都會產生較大的影響。輸出頻率對結溫波動的影響較大，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，

在產生損耗的正周期階段，器件會一直處于升溫狀態，連續工作時間越長，器件溫度的上升幅度越大，在經過足夠長的時間后，器件容易發生熱擊穿;當輸出頻率較大時，器件己經恢復到正常的工作循環模式，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，設計了IGBT的熱管理策略，如圖12所示。在實際應用中，當結溫過高時，首先根據轉速和扭矩命令獲得最低的開關頻率，在最低開關頻率以上，優先通過降低開關頻率來降低開關損耗，緩解逆變器的熱沖擊，保證系統輸出大電流，而不影響輸出扭矩。當在最低開關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，從而降低結溫，保護功率器件的安全。

圖13為電機轉速為15r/min、冷卻液溫度為65℃下的熱管理策略測試結果:當結溫T接近125℃時，為了保持250N·m的扭矩輸出，開關頻率首先開始下降，當頻率下降到6kHz的最低開關頻率時，因開關頻率無法再下降，需要降低扭矩來維持結溫的上限，最終扭矩命令下降到210N·m附近上下波動，在結溫不過溫和最低的開關頻率下實現了最大的能力輸出。

圖12 GBT熱管理策略框圖

圖13 IGBT熱管理策略測試結果

03

結語

本文闡述了電機控制器里最核心的功率器件IGBT的熱管理技術，開發了一套可以產品化的結溫估算開發方法，經過實際的測試，驗證了其具備較好的性能指標，為IGBT在新能源汽車上的高性能應用提供了依據，確保了新能源汽車核心零部件電機控制器的穩定性和可靠性。結合IGBT熱管理應用策略，在大功率運行環境下可以優先進行降頻控制，既可保證電驅系統的大功率輸出，又可保護功率器件的安全。

審核編輯 ：李倩