高成海，萬健如，孫彥虎

（1.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072；2.西門子電氣傳動(dòng)有限公司，天津300384）

低壓變頻器功率單元溫度波動(dòng)問題研究

高成海1，萬健如1，孫彥虎2

（1.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072；2.西門子電氣傳動(dòng)有限公司，天津300384）

為了更好地在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中使強(qiáng)迫風(fēng)冷式低壓變頻器和負(fù)荷相匹配，針對(duì)影響變頻器壽命的IGBT芯片的溫度波動(dòng)問題，在變頻器功率模塊熱路模型基礎(chǔ)上運(yùn)用非穩(wěn)態(tài)傳熱理論研究。結(jié)合脈寬調(diào)制特點(diǎn)討論典型功耗熱源的產(chǎn)生和計(jì)算,以及周期負(fù)荷對(duì)功率模塊其他部件和芯片的不同熱效應(yīng)及計(jì)算。基于熱膨脹原理研究芯片溫度波動(dòng)與變頻器壽命的關(guān)系。通過研究得出溫度波動(dòng)與功耗脈沖周期的關(guān)系，以及作為溫度波動(dòng)的主要影響區(qū)段,在變頻器低輸出頻率區(qū)間如何計(jì)算以實(shí)施降低輸出電流、開關(guān)頻率等應(yīng)對(duì)溫度波動(dòng)的措施。

變頻器；功率單元；溫度波動(dòng)；壽命；低輸出頻率

低壓變頻器功率單元IGBT的正確運(yùn)行需要滿足兩個(gè)條件，一方面是受保護(hù)從而免于由于芯片溫度TChip過高造成的瞬時(shí)毀滅性損壞；另一方面要避免過度的溫度波動(dòng)ΔTChip造成的壽命縮短。強(qiáng)迫風(fēng)冷式變頻器一般用以下3種不同方式對(duì)功率單元進(jìn)行熱監(jiān)控：①輸出電流由I2t計(jì)算來監(jiān)控；②散熱器溫度是由直接的溫度測(cè)量來監(jiān)控的；③IGBT芯片的溫度由熱模型監(jiān)控。雖然熱模型可基于散熱器的溫度測(cè)量加上其他電氣量,如開關(guān)頻率、直流電壓和輸出電流來計(jì)算IGBT芯片的準(zhǔn)確溫度，但卻沒有持續(xù)監(jiān)控溫度波動(dòng)。本文討論溫度波動(dòng)的產(chǎn)生、量化計(jì)算及其對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷式變頻器的影響。

1 溫度波動(dòng)的概念

圖1所示為IGBT模塊的典型結(jié)構(gòu)及考慮散熱器后其局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型［1］，其中IGBT芯片由于功率損耗形成加熱源，P（t）為IGBT芯片的功耗，Tj為芯片溫度，Tamb為外界環(huán)境溫度。IGBT芯片散發(fā)的熱量逐級(jí)向外傳遞，基板將散發(fā)的熱量轉(zhuǎn)移到功率單元的散熱器上。

圖1 IGBT模塊的結(jié)構(gòu)及其局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型Fig.1 Structure of IGBT module and the partial fraction model as thermal equivalent circuit

從芯片到IGBT模塊基板的熱阻抗曲線方程可以近似寫為式（1）

式中：ri為熱路模型各支路的熱阻；τi為IGBT模塊上各部件的熱時(shí)間常數(shù)，τi=rici，ci為熱路模型各支路的熱容。

如果傳遞的功率損耗是已知的，假設(shè)已知基板的溫度Tcase，則結(jié)溫Tj可表示為

如果傳遞的功率損耗隨時(shí)間變化，即非穩(wěn)態(tài)傳熱，則相應(yīng)產(chǎn)生溫度變化。由于IGBT模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括幾層不同的材料，在IGBT芯片和基板之間有較高的熱阻。其結(jié)果是，當(dāng)承受某些周期性的交流負(fù)荷時(shí)，IGBT芯片有顯著的溫度擺動(dòng)，而基板和散熱器的溫度卻基本不變，在這種運(yùn)行條件下會(huì)引起芯片相當(dāng)高的溫度波動(dòng)ΔTChip。

變頻器的不同冷卻方式，如自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷和液體（水）冷卻等對(duì)傳熱、模塊的溫度及壽命的影響也起著決定性作用，主要表現(xiàn)在相關(guān)熱路模型支路的熱阻變化上，傳熱效果越好，熱阻越低。

2 和溫度波動(dòng)相關(guān)的量化計(jì)算

2.1 功率模塊功耗的計(jì)算

基于圖1的熱路模型，首先計(jì)算IGBT以及與之相連的續(xù)流二極管的功耗P（t）。根據(jù)其工作過程和原理以及實(shí)際所占比例，忽略正向截止損耗和控制損耗（占比較?。饕紤]［2］以下2點(diǎn)：①靜態(tài)損耗中的導(dǎo)通損耗；②開關(guān)損耗，也稱為動(dòng)態(tài)損耗。

對(duì)IGBT模塊而言，導(dǎo)通功耗Pcond（T）取決于：負(fù)載電流、結(jié)層溫度和占空比。

對(duì)于給定的控制參數(shù)（RG，VG）以及忽略寄生元素（LS，Cload）的情況下，開通和關(guān)斷功耗（Pon，Poff）主要取決于：負(fù)載電流與負(fù)載電氣特性（阻性、感性、容性）、直流母線電壓、結(jié)層溫度和開關(guān)頻率。

文獻(xiàn)［2］提到在誤差可接受范圍內(nèi)的簡(jiǎn)化，如：忽略晶體管和二極管的開關(guān)時(shí)間，結(jié)層溫度在時(shí)間上是一個(gè)常數(shù)，線性調(diào)制等，且對(duì)IGBT的輸出特性曲線進(jìn)行直線近似處理，可得到飽和電壓VCEsat的時(shí)間函數(shù)為

考慮正弦形的占空比，可以得到IGBT的導(dǎo)通損耗為

把開關(guān)損耗簡(jiǎn)化成與集電極電流成線性關(guān)系，其中常系數(shù)數(shù)值隨IGBT型號(hào)改變，IGBT的開關(guān)總損耗為

式中：u為Vce0（Tj）；i為集電極電流Ic。

則總功耗的計(jì)算公式為

在文獻(xiàn)［2］中提到，對(duì)續(xù)流二極管而言，忽略截止損耗（占比較?。?，通態(tài)損耗Pcond（D）取決于：負(fù)載電流、結(jié)層溫度、占空比。

與續(xù)流二極管換流的IGBT控制參數(shù)在給定的條件下，省略寄生效應(yīng)LS，關(guān)斷損耗Prr取決于：負(fù)載電流、直流母線電壓、結(jié)層溫度、開關(guān)頻率。對(duì)于二極管有

考慮正弦形的占空比，可得到二極管D2的導(dǎo)通損耗為

則二極管的開關(guān)損耗可近似計(jì)算為

式中：VF0（Tj）為二極管導(dǎo)通曲線的門限電壓，是溫度的函數(shù)；rF（Tj）為導(dǎo)通曲線的電阻，是溫度的函數(shù)；Kv取為0.6；Ki為開關(guān)損耗隨電流變化的指數(shù)參數(shù)，取為0.6；TCErr為開關(guān)損耗的溫度系數(shù)，取為0.006 1/K。

則總損耗的計(jì)算公式為

模塊的開關(guān)總損耗Ptot（M）為單獨(dú)的開關(guān)損耗乘以開關(guān)數(shù)量n，即

2.2 溫度波動(dòng)的計(jì)算

圖1的熱等效回路可使用電工參數(shù)代替熱參數(shù)。總的功率損耗源Ptot（T/D）相當(dāng)于一個(gè)電流源，恒溫點(diǎn)相當(dāng)于電壓源，RC元件表示熱阻抗Zth（x-y）。

對(duì)隨時(shí)間變化的功耗在芯片結(jié)溫Tj、模塊外殼溫度Tc、散熱器溫度Ts和環(huán)境溫度Ta產(chǎn)生的溫差，可以看成是四級(jí)網(wǎng)絡(luò)，每級(jí)間的熱阻抗分別為Zth（j-c）、Zth（c-s）和Zth（s-a）。

文獻(xiàn)［2］中總阻抗的計(jì)算公式為

式中：τthi為熱時(shí)間常數(shù)，τthi=RthiCthi；t為加熱時(shí)間。

式（13）表明，對(duì)芯片、外殼、基板和散熱器的溫度變化來說，熱阻抗逐級(jí)增大；同樣功耗下，芯片升溫快，再逐步向外傳熱；功耗減少時(shí)，芯片先降溫。

圖2顯示了一個(gè)典型的IGBT和反向二極管的熱阻抗Zth（j-c）隨功耗脈沖（寬度為tp）變化的情況。在單一脈沖工作狀態(tài)，當(dāng)?shù)装鍦囟纫欢〞r(shí)，芯片溫度會(huì)隨著功耗的增加而上升，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，熱阻抗Zth（j-c）達(dá)到靜態(tài)的熱阻Rth（j-c）。圖2中典型芯片的熱時(shí)間常數(shù)在1 s左右。

圖2 帶底板的IGBT和反向二極管的熱阻抗Fig.2 Zth（j-c）of diode and IGBT with base plate

對(duì)于重復(fù)功耗脈沖，隨時(shí)間tp發(fā)生溫度上升過程如圖3所示。

圖3 重復(fù)功耗脈沖導(dǎo)致的結(jié)層溫度變化過程Fig.3 Temperature curve of chips under periodic load

結(jié)層溫度的計(jì)算方法為

式中，P為圖3中功耗脈沖的峰值。在周期性負(fù)荷作用下，重復(fù)功率脈沖導(dǎo)致的模塊各部分的溫度變化［3］如圖4所示。

圖4 重復(fù)功耗脈沖導(dǎo)致的IGBT各部件溫度變化Fig.4 Temperature characteristics of IGBT parts with cyclically alternating current load

分析式（14）可知，加熱脈沖時(shí)間越長(zhǎng)，溫升越高；對(duì)由2個(gè)單調(diào)且均分的加熱過程和下降過程組成的一個(gè)周期來說，周期時(shí)間越長(zhǎng)，溫度變化越大。

2.3 溫度波動(dòng)對(duì)變頻器壽命的影響

功率模塊的各部件在受熱時(shí)會(huì)發(fā)生機(jī)械形變，材料的形變用熱膨脹系數(shù)CTE（coefficient of theral expansion）描述，即材料單位溫度變化時(shí)所導(dǎo)致的單位長(zhǎng)度的膨脹或收縮量，可定義為

其中，P表示在α測(cè)量期間壓力保持不變，這時(shí)材料長(zhǎng)度的改變僅是溫度變化所致。IGBT模塊中各部件的熱膨脹系數(shù)如表1所示［4］。如表1中芯片的熱膨脹系數(shù)為3×10-6m/K即溫度每升高1 K，1 m長(zhǎng)度的這種材料的伸長(zhǎng)量為3×10-6m，即0.003 mm。

表1 IGBT模塊中各部件的熱膨脹系數(shù)Tab.1 CTE of different parts in IGBT module μm/K

機(jī)械形變發(fā)生的物理過程如下：

（1）各部件雖固定在一起，卻在溫度變化時(shí)變形不一致→模塊的各部件間產(chǎn)生熱感機(jī)械應(yīng)力;

（2）這些應(yīng)力會(huì)引起部件的老化→會(huì)逐漸引起細(xì)小的裂縫;

（3）隨著每個(gè)溫度老化周期或稱功率周期的出現(xiàn)→這些裂縫由邊緣開始向材料的中心擴(kuò)展;

（4）介質(zhì)溫度越高，溫差越大，激活的能量越大，產(chǎn)生的應(yīng)力越大→裂縫就擴(kuò)展得越快。

實(shí)際應(yīng)用中的典型故障原因分析顯示了接線點(diǎn)的 “翹起”，這意味著裂縫在中間匯合，連接散開以致接線處松開；相應(yīng)的仿真結(jié)果［5］也顯示了此處有較大的熱應(yīng)力，這些都表明了模塊壽命是由其能承受的溫度周期數(shù)決定的。

IGBT模塊能承受的全部溫度變化周期數(shù)Nf與結(jié)溫差ΔTj以及中間溫度Tjm的關(guān)系，可表示為

其中：A=3.8×106，α=-5，Ea=9.9×10-20J，kB=1.38× 10-23J/K;ΔTj和 ΔTjm的單位為 K。雖然隨著某些IGBT模塊的改進(jìn)，以上系數(shù)會(huì)有所調(diào)整，但式（16）仍適用于估算大多數(shù)模塊的壽命。

文獻(xiàn)［4］結(jié)合某型號(hào)IGBT將式（16）用圖形表示，如圖5所示，圖中從上至下圖線分別表示Tjm為77.5℃、90℃和102.5℃的情況。其中負(fù)荷周期數(shù)基于1%的失效概率，期望的壽命是在ΔTj=125 K時(shí)，能承受20 000個(gè)負(fù)荷周期。

圖5 IGBT模塊功率周期壽命與結(jié)溫差和中間溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship among IGBT power cycling lifetime and ΔTj,Tjm

2.4 芯片溫度波動(dòng)與變頻器的運(yùn)行與選型

如第2.3節(jié)所述，溫升與加熱脈沖時(shí)間成正比，溫度變化與周期時(shí)間成正比。變頻器在低輸出頻率運(yùn)行時(shí)和高輸出頻率相比，輸出電流在更長(zhǎng)的正半波時(shí)間內(nèi)僅流過連接到直流母線正極的IGBT，這些IGBT的芯片隨之被加熱，同時(shí)連接到直流母線負(fù)極的IGBT芯片逐漸冷卻;而在輸出電流的負(fù)半波，情況恰恰相反。在這種運(yùn)行條件下，電流負(fù)載引起的功耗隨輸出頻率交替變化，屬于長(zhǎng)周期。隨著變頻器輸出頻率的升高，芯片的加熱周期縮短。即在加熱功耗的平均值不變的情況下，變頻器的低輸出頻率區(qū)間溫度變化較大。文獻(xiàn)［2］以某型號(hào)芯片為例給出了仿真溫度波形，顯示在相同功耗下，輸出頻率分別為0、5和50 Hz時(shí)芯片的溫度波動(dòng)，如圖6所示。

圖6 相同功耗下不同輸出頻率的芯片溫升Fig.6 Different ΔTjunder same Ptot(T)with different output frequencies

對(duì)一臺(tái)變頻器來說，相同開關(guān)頻率下，其在不同輸出頻率段能長(zhǎng)期承受的電流是不同的，低輸出頻率區(qū)間由于溫度波動(dòng)大能承受的電流較小。因此在變頻器設(shè)計(jì)時(shí)需明確今后所驅(qū)動(dòng)的負(fù)荷類型，在低速區(qū)的工作負(fù)荷大小、時(shí)間長(zhǎng)短，來選擇對(duì)應(yīng)的功率模塊。選配變頻器時(shí)須通過計(jì)算確保IGBT不超出允許的溫度波動(dòng)，使負(fù)荷曲線、過載情況、低頻段和高頻段的運(yùn)行時(shí)間比例與變頻器的設(shè)計(jì)值匹配，以確保變頻器壽命符合要求。在某些變頻器設(shè)計(jì)中可看到，隨著輸出頻率從0～10 Hz的增長(zhǎng)，允許的輸出額定電流相應(yīng)地從50%增長(zhǎng)到100%的變化，即低頻時(shí)允許的輸出電流線性降低［7］。

對(duì)已選定的變頻器，如有超出配置時(shí)的負(fù)荷，可考慮根據(jù)式（4）、式（5）等功耗計(jì)算公式，采取進(jìn)一步降低開關(guān)頻率等措施。

3 實(shí)驗(yàn)

對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷式變頻器在不同的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下監(jiān)控，其中散熱器溫度是由直接的溫度測(cè)量來獲得的。芯片溫度是基于模塊內(nèi)的熱敏電阻測(cè)量值計(jì)算所得，由于熱敏電阻和芯片之間存在熱阻，因此實(shí)測(cè)溫度變化波形較真實(shí)溫度有難以避免的滯后和平整［8］，但仍能驗(yàn)證上文分析結(jié)論。

圖7～圖10為某變頻器在輸出頻率5 Hz，不同開關(guān)頻率時(shí)運(yùn)行在440 A（0.72倍額定電流）時(shí)的溫度變化。圖7為變頻器開關(guān)頻率2 kHz，IGBT芯片的溫度變化。

圖7 變頻器IGBT芯片的溫度變化（2 kHz）Fig.7 Temperature swing of IGBT chip（2 kHz）

圖8與圖7的區(qū)別為開關(guān)頻率變?yōu)? kHz。由圖8可看到，溫度波動(dòng)比2 kHz開關(guān)頻率時(shí)增大了約4 K。

圖8 變頻器IGBT芯片的溫度變化（4 kHz）Fig.8 Temperature swing of IGBT chip（4 kHz）

圖9為變頻器輸出頻率8 Hz，開關(guān)頻率2 kHz時(shí)IGBT芯片的溫度波動(dòng)。

圖9 變頻器IGBT芯片的溫度變化（輸出8 Hz）Fig.9 Temperature swing of IGBT chip（output 8 Hz）

圖10 變頻器IGBT芯片的溫度變化（輸出20Hz）Fig.10 Temperature swing of IGBT chip（output 20 Hz）

圖10與圖9的區(qū)別為輸出頻率變?yōu)?0 Hz?？捎蓤D10看到，溫度波動(dòng)比8 Hz時(shí)減小了約4 K。

4 結(jié)語

本文運(yùn)用低壓變頻器中功率模塊的熱路模型詳細(xì)分析研究了強(qiáng)冷式變頻器產(chǎn)生溫度波動(dòng)的原因，典型功率模塊的溫度波動(dòng)計(jì)算方法和變頻器壽命的關(guān)系；討論了溫度波動(dòng)對(duì)變頻器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行的影響。

［1］Infineon Company.Thermal Equivalent Circuit Models/ Application note［Z/OL］.V1.0.2008.http://www.infineon.com.

［2］Semikron Company.Application Manual Power Semiconductors［Z/OL］.V1.0.2011.http://www.semikron.com.

［3］Siemens Company.SINAMICS Low-Voltage Engineering Manual［Z/OL］.V6.2.2013.http://www.siemens.com.

［4］Semikron company.SEMiX IGBT Modules&Bridge Rectifier Family Technical Explanations［Z/OL］.V3.0.2009. http://www.semikron.com.

［5］周文棟,王學(xué)梅,張波,等.IGBT模塊鍵合線失效研究［J］.電源學(xué)報(bào)，2016，14（1）:10-17. Zhou Wendong,Wang Xuemei,Zhang Bo,et al.Research on failures of bonding wire in IGBTs module［J］.Journal of Power Supply,2016，14（1）:10-17（in Chinese）.

［6］Amro R,Lutz J.Power Cycling with High Temperature Swing of Discrete Components based on Different Technologies［J］. 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference,Conference Proceedings,2004:2593-2598.

［7］Siemens Company.SIMOTION,SINAMICS S120 and Motors for Production Machines Catalog PM 21·2011［Z/OL］.2011. http://www.siemens.com/industrymall.

［8］Infineon Company.Using the NTC inside a power electronic module/Application note［Z/OL］.V1.0.2009.http://www.infineon.com.

Research on Temperature Swing of Power Module in Low Voltage Converter

GAO Chenghai1,WAN Jianru1,SUN Yanhu2
（1.School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Siemens Electrical Drives Ltd.,Tianjin 300384,China）

In order to enhance the matching between force cooling frequency converters and load in design and operation,the temperature swing of IGBT chips,which impact the life time of converter,was researched based on its thermal circuit model and unsteady heat transfer theory.The generation and calculation of typical power dissipation of converter power module and its heat effect was analyzed combined with the characteristics of Pulse Width Modulation. Applying thermal expansion principle the relationship between temperature swing of chips and lifetime of converter was described.The relationship between temperature swing and power dissipation cycle is worked out and how to implement the deduction of output current and switching frequency in main concerned low output frequency range.

frequency converter;power module;temperature swing;life time;low output frequency

高成海

高成海（通信作者）（1970-），男，通信作者，博士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：電力電子技術(shù)，E-mail:chenghai_gao 2009@126.com。

萬健如（1950-），男，碩士，教授，博士生導(dǎo)師,研究方向：電力電子技術(shù)，E-mail:wan_jre@163.com。

孫彥虎（1979-），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：電機(jī)與電器，E-mail:yanhu. sun@siemens.com。

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．1.99

：TM 464

：A

2015-10-09

國(guó)家質(zhì)檢總局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（201310153）

Project Supported by AQSIQ Nonprofit Industry Specialized Research Funding（201310153）