变频器功率模块的选型及其在低频输出时的处理

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1、变频器功率模块的选型及其在低频输出时的处理 李毅初升SEMIKRONInternational 热计算是功率模块选型的重要方面之一，目前发热与可靠性计算正在逐步脱离靠经验估算或模仿的范畴，而被精确的仿真计算所取代。本文介绍了功率半导体发热仿真计算的历史和原理，重点阐述了在变频器低频输出工况下计算IGBT等效结温的方法。  20世纪90年代以来，IGBT(绝缘栅双极晶体管)开始全面取代GTR(大功率双极晶体管)，从而成为电力电子行业的主导器件。以IGBT功率器件为基础的各种功率变换设备，如变频器、不间断

2、电源、逆变焊机等逐步走向工业和民用的各个角落。特别是随着新世纪的到来，人们节能环保意识普遍加强，加之世界能源的日渐贫乏，电力电子器件与设备的应用越来越得到人们的重视。 由于功率器件在开关运行过程中，不可避免地产生大量的热量，需要借助外部散热系统来将之带走。散热不完全或不及时的直接后果是导致器件的温度过高，芯片的晶体结构发生不可逆转的变化而失效，严重时导致短路或其它爆炸事件。所以通过仿真计算与试验，确保器件在任何运行状态下都不超过给定的温度，是电力电子设备热路设计的主要内容。 另外，运行在交变工况下的功

3、率器件，其芯片的温升随负载而上下波动。由于器件内部相互连接（焊接、键接、压接等）的各部分受热后的膨胀程度不一致，于是在连接处产生应力，时间久了连接会发生疲劳直至器件失效。试验结果表明，器件的寿命主要与芯片温度变化的幅度以及芯片的平均绝对温度有关。图1显示了著名的LESIT研究结果[1]。  图1：LESIT有关功率器件寿命（负载循环次数）的结果 所以，功率器件热路计算的另一个任务是推算特定负载条件下器件的温度变化曲线，进而设计与预测器件的可靠性与寿命。 最后，通过对器件损耗的计算，对系统的散热进行评估

4、或优化，是安全、经济地设计电力电子设备的一个重要组成部分。 器件功率损耗计算的原理 功率器件在运行中，芯片内部所产生的损耗可由下式表示：  对于一个开关器件来说，它在导通时的典型特性如图2所示：  图2：IGBT正向特性曲线a.通态特性b.等效曲线 在工程计算中，这一特性可以用一直线来近似，取该直线（b）与横轴的交点（开启电压VT0）与直线的斜率（等效通态电阻rT）作为通态特性的基本参数。我们得到：  其中： Iav为通态电流的平均值；Irms则为其有效值；FI为电流波形系数。 功率器件在不同的应用中

5、，电流为正弦半波或脉冲方波，但均可由其有效值及平均值出发根据其通态特性来计算出其通态损耗。 同理可计算器件的正向或反向截止损耗。但一般来说这部分损耗可忽略不计。 器件的开通或关断损耗则可表达为：  其中： 为开关频率； 为器件开关一次的开通或关断损耗。在驱动参数一定的情况下，的值与直流母线电压、开通或关断瞬间的负载电流及芯片结温有关。 正弦调制PWM逆变器的功耗与温升计算 1992年，赛米控公司的D.Srajber首先提出了计算正弦调制的PWM逆变器的功耗与温升的方法[2]。随后，这一方法被广大用户以

6、及其它制造商所接受和引用[3][4][5]。该方法采用图2所示的线性近似来计算一个正弦周期内器件的平均损耗，进而得到芯片的平均结温：通态损耗：IGBT： 二极管： 开关损耗：IGBT： 二极管： 其中： M为调制比，为负载功率因数； 为IGBT在集电极电流为零时的开启电压，为IGBT的通态电阻（输出特性的斜率）；为二极管在正向电流为零时的开启电压，为二极管的通态电阻（输出特性的斜率）；为开关频率，为输出电流峰值。 大量的实验证明，在逆变器输出频率为50Hz时，这一计算方法的结果是相当准确的。尽管器件的

7、实际功耗与输出频率同步波动，但由于芯片传热时间常数大大高于波动的周期（=0.02s），结温的变化不太明显，仅在上下数度左右（参考图3，[6]）。此时，使用平均结温来代替最高结温在工程上是允许的。 逆变器低频输出时功耗与温升的推算 当逆变器的输出频率降低，呈正弦半波状的输出电流在同一只器件上的停留时间变长。当输出电流在峰值附近时，最大电流对芯片的作用时间也相应延长。而芯片的传热时间常数不变，芯片的结温随之迅速上升。频率越低时，这一上升就越明显，在输出频率为1-2Hz时，最大结温甚至会高出平均结温20K以

8、上。在输出频率接近0Hz时，芯片所承受的电流近似为倍于额定电流的直流，此时结温达到最大值（图3）。  图3：不同基波输出频率下的最大结温与平均结温的关系[6] 在[4]中，对以上这一现象的研究导致了所谓频率校正系数的引入。频率校正系数  其中： 、别为芯片结温的最大值和平均值，为壳温的平均值。 通过实验，某模块在特定条件下的频率校正系数对输出频率的关系如图4所示。  图4：频率校正系数与输出频率的关系 在计算低频运行的结温时，采用计算而得的平均结温与壳温