一種基于調節緩沖電容的IGBT熱管理方法

周雒維 張益 王博

摘 要：針對結溫波動加快絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）老化失效的問題，提出一種基于調節緩沖電容改變IGBT關斷軌跡的熱管理方法。依據IGBT壽命模型，通過關斷軌跡調節關斷損耗大小以平滑結溫波動的方法能提高IGBT使用壽命。與現有的熱管理方法相比，該方法具有對主電路影響小、實現簡單等優點。首先，闡述熱管理電路的工作原理，分析緩沖電路對IGBT關斷損耗的影響。然后，建立IGBT損耗計算模型，歸納關斷軌跡熱管理調節能力的評估方法，以1.2 MW直驅風機系統為例，關斷軌跡熱管理可以平滑20%額定功率的負載變化造成的結溫波動。最后，對該熱管理方法進行小功率的實驗驗證。

關鍵詞：絕緣柵雙極型晶體管;熱管理;緩沖電容;關斷軌跡;損耗

中圖分類號：TM 46

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2019）04-0028-09

0 引 言

隨著新能源技術和可再生能源的迅速發展，功率變流器得到了廣泛地使用，但較低的可靠性嚴重地制約了其發展和運用[1-3]。根據工業反饋[2-4]，運用在風力發電的變流器故障率高，正常使用壽命遠低于預期標準;在電動汽車的使用中，因為變流器損壞而增加的維修成本一定程度上抵消電動汽車所帶來的環保和經濟優勢。研究表明變流器中功率器件損壞是影響其可靠性的最主要因素[5]。IGBT作為運用最廣泛的功率器件之一，由于其各層封裝材料的熱膨脹系數不同，結溫的頻繁波動會導致各層熱應力差異，加快其疲勞老化，降低使用壽命[6-7]。Bayerer壽命模型[8]指出，降低IGBT的結溫波動是增加其可靠性的重要手段。

IGBT芯片結溫波動主要分為兩種：一種是由變流器輸出功率正弦變化引起的基頻結溫波動，如風電網側變流器輸出功率（50 Hz）;另一種是由負載或輸入功率變化所引起的低頻結溫波動，如風電變流器中風速的波動[9]。由于IGBT芯片結溫相對于輸入功率的傳遞函數近似為低通濾波器[10]，基波頻率較高時IGBT基頻結溫的波動幅值很小，低頻結溫波動是降低IGBT可靠性的主要因素。因此，平滑低頻結溫波動對提高IGBT的期望壽命很有意義。

文獻[11]提出了通過改變開關頻率的熱管理方法，由于IGBT開關損耗與開關頻率正相關，當變流器輸出電流變小時IGBT的結溫也會降低，此時加大開關頻率可以彌補減小的開關損耗從而降低結溫波動幅值，該方法不需要增加額外硬件設備，但降低開關頻率，會增加變流器的紋波，降低其輸出質量。文獻[12]提出了基于門極驅動電阻的熱管理方法，但由于IGBT內含寄生驅動電阻，所以調節效果不明顯。文獻[13-14]提出基于功率分配的結溫平滑方法，通過限制變流器的功率，控制IGBT的最大結溫，該方法只能應用于多臺變流器并聯的系統中，并且每臺變流器都降額使用，降低了功率密度。

綜上所述，現有的熱管理方法大多有降低輸出波形質量，控制復雜，對主電路影響較大等缺點。針對上述問題，本文提出一種通過調節RCD型緩沖電路電容的方法改變IGBT關斷軌跡，根據IGBT處理功率的變化，調節IGBT關斷損耗，平衡IGBT內部損耗波動，從而達到降低結溫波動的目的。該方法不影響變流器輸出質量，控制簡單，亦可和其他方法聯合使用。

1 關斷損耗平滑結溫的思路

IGBT的損耗主要由開通損耗PT_on、關斷損耗PT_off和導通損耗Pcon組成[15]。其中開關損耗與母線電壓Vdc、負載電流Io、開關頻率fs和芯片結溫Tj相關。導通損耗主要受負載電流Io和結溫Tj影響，因此IGBT的損耗功率可表示為

在一些大功率的IGBT模塊中，由于母線電壓較高，開關損耗占比較大。以富士電機的IGBT模塊（2MBI1000VXB-170EA-50）為例，當其以額定負載運行在兩電平的逆變器中時，通過富士官網提供的損耗仿真軟件（Fuji IGBT Simulator Ver6.0.9）可以得到開通損耗、關斷損耗、導通損耗的占比分別為27%、41%、32%。導通損耗由IGBT工作電流決定，不易改變;開通損耗占比較小且受電路中寄生電感的影響較大;關斷損耗占比較高，適用于IGBT的低頻結溫波動的調節。

充放電型的RCD緩沖電路可以降低IGBT的關斷損耗，若緩沖電路中的電容換成可調電容，如圖1所示，則不同的緩沖電容對應的關斷損耗大小也不相同。由負載波動而引起的IGBT損耗變化可通過調節緩沖電容的大小彌補，從而平滑IGBT結溫波動，如圖2所示。

2 RCD緩沖電路調節關斷損耗的原理

圖3是逆變器中一個IGBT橋臂的工作原理示意圖。在開關周期內，認為逆變器輸出電流Io不變。T1閉合T2關斷時，負載電流通過T1流出，此時T1承受的壓降約為0，如圖3（a）所示;在T1關斷過程中（T2由于死區時間并未開通），由于負載電流不能突變，此時電流通過二極管D2進行續流，如圖3（b）所示，但在T1兩端電壓上升到母線電壓前，二極管承受反向壓降不能導通，因此流過T1的電流只能在其電壓上升到母線電壓后再通過D2續流，如圖3（c）所示。從IGBT電流下降開始計算（Ⅱ區域），IGBT的關斷損耗通過積分計算為

有緩沖電路的情況下IGBT導通時如圖4（a）所示，緩沖電路被短路，負載電流通過IGBT流出。當IGBT關斷時如圖4（b）所示，流過IGBT的電流在同橋臂的另一只二極管正向導通前就可以通過RCD緩沖電路進行續流，IGBT電流會立即減小，關斷損耗也會降低。此時IGBT電壓、電流波形如圖5所示。

圖5（a）中流過IGBT的電流在其電壓上升過程中就開始減小。緩沖電路中的電容取值越大，電壓上升過程越緩慢，斜率越小，圖5（b）是不同電容大小對應的電流電壓波形（Cs0

由式（8）可知，隨著緩沖電容的增大，IGBT的關斷損耗逐漸減小。從上述理想情況下的理論分析可知，加入緩沖電路的IGBT關斷損耗相對于無緩沖電路的情況不僅可以減?、騾^域內的損耗，也可以消除Ⅰ區域中的損耗，且改變緩沖電容的大小可以調節Ⅱ區域內的損耗大小。在圖4所示的緩沖電路中，當IGBT開通時，儲存在電容中的能量通過緩沖電阻R向IGBT回饋，電阻R的取值比IGBT導通電阻大得多，電容中的能量幾乎全消耗在電阻R中，因此不會影響IGBT的開通損耗大小。

一般RCD緩沖電路中緩沖電阻取值主要有兩方面限制。一是要限制緩沖電容放電電流大小，二是要保證在IGBT的最小占空比內，緩沖電容的能量可以完全釋放，文獻[16]推導了緩沖電阻的取值范圍為

由于緩沖電容支路上電流的di/dt較大，所以不能忽略緩沖電容支路上的寄生電感，寄生電感產生的感生電壓將會影響IGBT的關斷損耗。在IGBT集電極—發射極兩端并聯電容后，會改變IGBT的拖尾電流，這個現象是由于增加緩沖電容后，流過漂移區的電流受電容電場影響引起的[17-19]。文獻[20]指出，并聯緩沖電容后IGBT的關斷損耗受這個現象的影響較大，電容值越大，Itm越小，并測試了母線電壓300 V、關斷電流75 A、結溫125 ℃條件下不同IGBT在不同緩沖電容下的關斷損耗如圖6所示，圖中的虛直線為緩沖電路的損耗?？紤]緩沖電容支路上寄生電感和拖尾電流的影響，IGBT關斷過程的電壓、電流波形如圖7所示。

從圖6可以看出，緩沖電容和關斷損耗符合指數分布關系，緩沖電容越大，關斷損耗越低。但是隨著緩沖電容增大，電容吸收的能量也越大，電容的能量將消耗在緩沖電阻上，緩沖電容的取值需要考慮緩沖電阻的散熱問題。如果受變流器內部空間限制，不能為緩沖電阻增加額外的散熱器，可以使緩沖電路的損耗等于IGBT減小的損耗，這樣緩沖電阻可以直接安裝在IGBT的散熱片上，不需要增加額外的散熱器，也不會影響變流器內部的熱設計。例如圖6中2MBI75_060模塊的緩沖電容取100 nF，則緩沖電路增加的損耗和IGBT減小的關斷損耗均為4.5 mJ，關斷損耗減少50%，緩沖電阻不需要額外的散熱器。如果原變流器的散熱設計留有較大余量，或者變流器有足夠空間可以為緩沖電阻增加散熱器，主動結溫控制電路可以選擇更大的電容，增加結溫平滑范圍。綜上所述，緩沖電容的選取需要在緩沖電路損耗和結溫平滑能力折中考慮。

3 調節范圍

調節范圍指的是指當負載波動在一定范圍內時能通過緩沖電路調節關斷損耗使IGBT總損耗維持不變。本節推導出一種用于估算調節電路調節能力的方法，該方法能在不同功率等級的電路中應用。

變流器參數如表1所示，調制方式為正弦脈寬調制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM），選用的IGBT模塊為富士電機的2MBI1000VXB-170EA-50（Vce=1 700 V，Ice=1 000 A）并聯構成。

文獻[21]給出了IGBT的開關損耗和通態損耗的估算方法。通過對數據手冊Vce/Ic和開關損耗Eon/Eoff曲線進行采樣擬合可以得到損耗估算所需全部參數，擬合結果如圖8所示。

從圖9中可知，當負載電流在386～500 A之間波動時，通過調節關斷軌跡調節IGBT的關斷損耗，可以使IGBT的總損耗維持在900 W，也就是說負載在額定功率的22.8%（386～500 A）以內波動時，IGBT損耗可以保持不變，維持IGBT結溫恒定。

4 實驗驗證

由于目前IGBT結溫的在線測量方法尚不成熟，本文實驗采用開封未灌膠的IGBT模塊，并使用紅外測溫儀監測結溫變化。開封未灌膠的處理使IGBT模塊的絕緣性受到了破壞，不能施加很高的母線電壓。由于論文所提方法的工作原理和IGBT處理功率無關，所以本文通過小功率實驗驗證所提方法的原理，如圖10所示。

如圖10（a）所示，實驗平臺為單相橋式電路，IGBT模塊（未填充硅膠）的型號為2MBI75VA-120-50，圖中陰影部分為熱管理調節電路，主電路結構如圖10（b）所示。圖10（c）和圖10（d）分別給出了熱管理調節電路的原理圖和實物照片，其中電容容值的改變通過并聯電容的方式實現。

熱管理調節電路中，電容采用無感電容以減小寄生參數的影響，開關器件采用金屬—氧化物半導體場效應晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor， MOSFET），其寄生的反向二極管可以為電容放電提供回路。實驗平臺電路主要參數如表2所示。根據第4節推導的調節能力估算方法，可以估算出在表2的工況下，該熱管理方法最大可以平滑10%負載變化造成的結溫波動，如圖11所示。

從圖12（a）和圖12（b）可以看出有無緩沖電路的情況下IGBT關斷波形的差異，如理論分析所示，緩沖電路的加入使得IGBT電流可以迅速下降，減小了關斷損耗的大小。圖12（c）和圖12（d）是不同緩沖電容大小下IGBT關斷波形，電容大小不影響IGBT關斷電流的下降斜率，但會改變拖尾電流大小和時間。電容越大，關斷電壓上升斜率也越小。

結溫平滑實驗中，當逆變器工作在負載電流為33 A的額定電流時，緩沖電容支路開關全部閉合，此時IGBT損耗最低。當負載降低時，根據負載電流大小改變緩沖電容的容值從而達到損耗平衡的目的。負載電流按照33 A-32 A-33 A-30 A-33 A-28 A變化，緩沖電容調節前的結溫波動波形如圖13（a）所示。此時電容大小根據負載電流進行選擇95 nF（33 A），68 nF（32 A），27 nF（30 A），0（<30 A），調節后結溫波形如圖13（b）所示?？梢钥闯?，當負載波動為額定負載的10%左右時，關斷軌跡結溫控制方法可以完全的平滑結溫;當負載電流波動高于緩沖電路可以調節的范圍，關斷軌跡結溫平滑降低了結溫波動的幅度，從ΔTj=2.5 ℃降低到ΔTj=0.5 ℃。實驗結果與圖11推測的調節范圍相符。

5 結 論

本文提出一種基于調節IGBT關斷損耗的熱管理方法，該方法通過動態的改變IGBT緩沖電容來調節IGBT關斷損耗。通過分析IGBT開關過程推導了該方法的調節能力，以1.2 MW風機變流器為例，該方法最大能平衡負載波動22.8%所引起的結溫變化。進行了小功率實驗，實測的IGBT開關波形驗證了熱管理方法原理的正確性，最后的平滑結果也滿足對該方法調節能力推導。

相比于開關頻率調節、驅動調節等熱管理方法，該方法具有可以獨立控制每個IGBT熱載荷、控制簡單等優點，可以應用于新能源發電等非平穩工況的變流器中，以提高IGBT壽命期望。

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（編輯：邱赫男）