陳 斐

（廣東美的制冷設(shè)備有限公司 佛山 528311）

前言

IPM 模塊的可靠性與結(jié)溫密切相關(guān)，在正常的工作狀態(tài)下，IPM 模塊的平均結(jié)溫值（亦即IGBT 結(jié)溫）不能超過125 ℃。在瞬態(tài)情況下，IPM 結(jié)溫的峰值不能超過150 ℃。目前我們企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于IPM 模塊溫升標(biāo)準(zhǔn)的評判依據(jù)是散熱器表面螺釘?shù)臏囟炔怀^80 ℃。這種判斷方法不便于對于不同的模塊（功率，熱阻不相同）進(jìn)行統(tǒng)一的評價，因為結(jié)溫Tj 和殼溫Tc，IGBT 功率PD和其結(jié)殼熱阻Rjc 的關(guān)系為Tj=Tc + PD*Rjc。和殼溫相比，IPM 模塊的結(jié)溫更高。

在本報告中，通過對IPM 的功率PD 和輸出電流的關(guān)系進(jìn)行測試分析，則可以對不同的模塊進(jìn)行評估，并且可以獲取IPM 模塊安全工作的殼溫和電流的范圍，為IPM 可靠性的分析提供一個理論基礎(chǔ)[1-3]。

1 實驗部分

1.1 技術(shù)背景

IPM 模塊的平均結(jié)溫值高低對空調(diào)的使用壽命和安全性有著重要的影響，但是現(xiàn)有的測試方法無法準(zhǔn)確進(jìn)行測定，主要原因為[4]：

1）目前的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于IPM 模塊的發(fā)熱試驗主要有最大頻率運行發(fā)熱和最高室外環(huán)境溫度運行發(fā)熱?？照{(diào)連續(xù)穩(wěn)定運行后，待各測試溫度點穩(wěn)定后，記錄各溫度值。對于IPM模塊，測量模塊附近散熱器表面的溫度（殼溫），要求溫度不超過80 ℃。

2）由于IPM 模塊內(nèi)部的IGBT 在工作時會產(chǎn)生功率，因此IGBT 的結(jié)溫相對于殼溫有一定的溫升，不同廠家的IPM 模塊的功率和熱阻不同，因此目前的測試方法無法對不同的IPM 模塊進(jìn)行統(tǒng)一的比較。

3）直接測量IPM 模塊內(nèi)部的結(jié)溫需要復(fù)雜的設(shè)備或者特殊準(zhǔn)備的樣品（內(nèi)部預(yù)埋有熱電偶的IPM 樣品）。結(jié)合目前的實際情況，我們采用測量IPM 功率的方法來間接的測量IPM 的結(jié)溫。

1.2 測試方案

為準(zhǔn)確測量IPM 的結(jié)溫，設(shè)計了以下的測試方案：

1）功率測試采用橫河WT1600 功率計，通過測量逆變器直流側(cè)的輸入功率Pin 和三相交流側(cè)的輸出功率Pout，計算IPM 模塊的功耗（PD=Pin-Pout），測試儀器設(shè)備見圖1 和圖2。

圖1 橫河WT1600 功率計

圖2 橫河WT1600 功率計數(shù)據(jù)截圖

2）通過分析IPM 的功耗PD 與輸出電流Iout 的關(guān)系，對比三洋、三墾、三菱IPM 模塊的功耗的大小和散熱性能的好壞。

3）通過IPM 的功耗PD 與熱阻Rjc 計算IPM 模塊的結(jié)溫升，給出不同輸出電流下的結(jié)溫數(shù)值，并對比不同IPM 模塊的結(jié)溫升。

4）通過分析IPM 模塊的殼溫Tc 和IPM 的功耗PD之間的關(guān)系，可以分析不同電控方案散熱器的散熱性能，進(jìn)而為散熱性能的分析提供依據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 測試數(shù)據(jù)

表1 給出了三洋模塊STK621-033 的測試結(jié)果，在不同的壓縮機頻率下，IPM 模塊的殼溫，輸入功率，輸出功率，輸出總均方根電流，輸出總均方根電壓均可以直接讀出。類似的，可以對三洋新產(chǎn)品STK551U3A2C，三墾SCM1243，三菱PS219A4 模塊進(jìn)行測試，見表2。

表1 測試結(jié)果

表2 不同IPM 模塊的功率和結(jié)到殼溫升隨輸出電流的變化表格

2.2 結(jié)果分析

在本方案中，我們對目前海外電控采用的所有15 A模塊：三洋STK621-033，三洋新產(chǎn)品STK551U3A2C，三墾SCM1243，三菱PS219A4 模塊進(jìn)行了功率測試。

IPM 模塊的功率和輸出電流的關(guān)系，可以采用二次函數(shù)（常數(shù)項為0，P=A*I2+B*I）擬合，所有模塊擬合的相關(guān)性都較好，R2系數(shù)在0.99 左右。測試數(shù)據(jù)和擬合的曲線見圖3 所示。

圖3 測試數(shù)據(jù)和擬合的曲線

根據(jù)圖3 的結(jié)果，在相同的輸出電流下，IPM 模塊功率從大到小依次是：三洋STK621-033，三墾SCM1243，三洋新產(chǎn)品STK551U3A2C，三菱PS219A4。三菱模塊功率最小。在輸出電流均方根值為4 A 時，三洋STK621-033 功率（29.85 W）比三菱PS219A4 功率（20.75 W）大50 %。

按照產(chǎn)品手冊上給出的熱阻（STK621-033：IGBT 5.0 k/W；STK551U3A2C：IGBT 3.5 K/W；PS219A4：IGBT 3.1 K/W； SCM1243：3.0 K/W），計算出的結(jié)到殼溫升（Tj-Tc=Pd*Rth）如表2 和圖4 所示。計算中忽略FRD 的功率，IPM 的功率為6 個IGBT 之和。在相同的輸出電流下，IPM 結(jié)到殼溫升從大到小依次是：三洋STK621-033，三洋新產(chǎn)品STK551U3A2C，三墾SCM1243，三菱PS219A4。三菱PS219A4 模塊的結(jié)到殼溫升最小，因此其可靠性最高。

圖4 結(jié)到殼溫升

相同溫升下的輸出電流對比。按照企標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，取殼溫Tc 為最大值80 ℃，結(jié)溫的降額因子取0.80（結(jié)溫為125*0.80=100 ℃）。三洋STK621-033，三洋新產(chǎn)品STK551U3A2C，三墾SCM1243，三菱PS219A4 模塊的最大輸出電流分別為3.5 A，5.2 A，6.0 A，6.0 A。顯然三菱和三墾模塊的輸出電流更大。三墾模塊的缺點是低電流下的結(jié)殼溫升較高。

殼溫Tc 和IPM 功率PD 的關(guān)系，可以表示為：Tc=PD*Rhs + Tx。其中Rhs 為散熱器的熱阻，Tx 為散熱器附近空氣邊界層的溫度[5-7]。殼溫Tc 和IPM 功率PD的曲線如圖5 所示，該曲線可以采用線性擬合，擬合的斜率為散熱器的熱阻數(shù)值。

圖5 殼溫Tc 和IPM 功率PD 的曲線

散熱器的熱阻數(shù)值越小，散熱能力越好。三菱、三墾、三洋電控盒的結(jié)構(gòu)分別如圖6、圖7 和圖8 所示。根據(jù)圖5 的擬合分析，三菱電控盒結(jié)構(gòu)的散熱器熱阻最小，散熱性能較好；而三墾和三洋電控盒結(jié)構(gòu)熱阻相對較大，散熱性能一般。

圖6 三菱電控盒的結(jié)構(gòu)圖

圖7 三墾電控盒的結(jié)構(gòu)圖

圖8 三洋電控盒的結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

本文通過對IPM 的功率PD 和輸出電流的關(guān)系進(jìn)行測試分析，則可以對不同的模塊進(jìn)行評估，并且可以獲取IPM 模塊安全工作的殼溫和電流的范圍，為IPM 可靠性的分析提供一個理論基礎(chǔ)。采用此方法，對IPM 模塊功率和結(jié)溫的評估更加標(biāo)準(zhǔn)。建議后續(xù)作為新IPM 模塊引入標(biāo)準(zhǔn)和新電控開發(fā)的可靠性評估標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的測試和評估。