周 仟 黃 波 范玉龍

（上海工程技術(shù)大學(xué) 上海 201620）

1 引言

隨著新能源汽車在汽車市場(chǎng)所占比重的增加，其續(xù)航里程成了目前消費(fèi)者主要關(guān)注的方向。與傳統(tǒng)的燃油車不同，新能源沒有發(fā)動(dòng)機(jī)，所以在冬季制熱時(shí)，沒有熱量的來源，只能依靠汽車電池包給PTC供電加熱，根據(jù)文獻(xiàn)［3］研究，幾乎一半電池包的電量被用來冬季PTC制熱，續(xù)航里程縮短了一半［3］。電動(dòng)熱泵壓縮機(jī)不需要熱量來源，原理與水泵相似，基于逆卡諾原理將空氣中的熱量搬到室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)制熱，不需要通過電池包加熱，有效地增加了續(xù)航里程。作為電動(dòng)熱泵壓縮機(jī)的大腦，控制器的安全性，直接影響著駕駛員的安全。IGBT 作為主要的功率器件，它的安全直接關(guān)系到控制器的安全。根據(jù)研究表明大約60%的IGBT 永久性的實(shí)效是由溫度導(dǎo)致［4］。IGBT 溫升主要是由于內(nèi)部損耗引起，有效減小IGBT 模塊內(nèi)部損耗，能夠降低IGBT模塊溫度，保護(hù)IGBT的安全。

2 不同調(diào)制方式損耗分析

SVPWM 根據(jù)調(diào)制方式的不同主要分為：兩相調(diào)制和三相調(diào)制。兩相調(diào)制主要指三相中的兩相參與調(diào)制，其余相恒高或恒低。三相調(diào)制指UVW三相都參與調(diào)制。表1 描述了三相調(diào)制和兩相調(diào)制的開關(guān)順序和每個(gè)基本空間矢量的作用時(shí)間。通過對(duì)比，我們可以發(fā)現(xiàn)在同一周期內(nèi)，一個(gè)扇區(qū)三相調(diào)制上升和下降沿一共6 個(gè)，兩相調(diào)制上升沿和下降沿一共4個(gè)（每個(gè)上升沿和下降沿表示IGBT開通與關(guān)斷）。

表1 兩種調(diào)制方式時(shí)間及開關(guān)次數(shù)對(duì)比

圖1 為示波器在電動(dòng)熱泵壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)采集到的相電流波形，從圖上看，兩種調(diào)制方式調(diào)制出的相電流波形相差不大，不影響控制。從開關(guān)次數(shù)上看，兩相調(diào)制比三相調(diào)制在開關(guān)次數(shù)上確實(shí)會(huì)少很多。

圖1 兩種調(diào)制電流對(duì)比

3 調(diào)制方式對(duì)IGBT損耗的影響

3.1 調(diào)制方式對(duì)IGBT開關(guān)損耗影響

1）三相調(diào)制的開關(guān)損耗計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)［1］所述，以第一扇區(qū)為例，在與第一扇區(qū)相關(guān)的基本空間矢量有U4，U6，U7/0開關(guān)損耗主要是由電壓和電流重合所引起的。本文采用三相電機(jī)，每相相差120°，在一個(gè)周期內(nèi)一共包含三相的損耗，且在相同工況下，如若流過IGBT電流電壓不變，我們可以認(rèn)為每相開關(guān)一次產(chǎn)生的開關(guān)損耗相同（在數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的開關(guān)損耗計(jì)算參考值中包含了FWD 的反向恢復(fù)損耗，所以模型將IGBT 和FWD 在開關(guān)時(shí)的損耗合在一起計(jì)算）。通過文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［5］，我們可以總結(jié)出IGBT 模塊損耗計(jì)算公式：

通過上述，我們可以得出IGBT 每相總的開關(guān)損耗公式如下：

由上述所知，每相在開關(guān)一次的所產(chǎn)生的損耗相同，可以得到總的開關(guān)損耗為

Eon_nom為25℃時(shí)開通能量損耗；Eoff_nom為25℃時(shí)關(guān)斷能量損耗；Tj為IGBT 結(jié)溫；Eon factorTj為數(shù)據(jù)手冊(cè)中開通能耗曲線擬合斜率Eoff factorTj為數(shù)據(jù)手冊(cè)中關(guān)斷能耗曲線擬合斜率。K1為IGBT運(yùn)行的實(shí)際電壓與額定電壓的比值；K2為IGBT運(yùn)行時(shí)的實(shí)際電流與額定電流的比值。

2）兩相調(diào)制的開關(guān)損耗計(jì)算

從表1 上看：我們可以得到在開關(guān)特性圖上，三相中的U相為恒開狀態(tài)，所以這一項(xiàng)不會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗。由于是在系統(tǒng)穩(wěn)定的時(shí)候來比較兩相調(diào)制與三相調(diào)制對(duì)開關(guān)損耗的影響，所以每相開關(guān)一次時(shí)產(chǎn)生的損耗相同，我們可以得到一個(gè)周期內(nèi)的損耗計(jì)算公式為

通過對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn)三相調(diào)制相比于兩相調(diào)制在單個(gè)周期內(nèi)相差了三分之一的開關(guān)損耗，總的開關(guān)損耗相差為fswE總。

3.2 調(diào)制對(duì)導(dǎo)通損耗影響

IGBT 導(dǎo)通損耗的大小與流過IGBT 的電流，導(dǎo)通壓降和占空比相關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)［10］可知導(dǎo)通壓降Vce大小與流過其內(nèi)部的電流大小相關(guān)，在一定程度上可以認(rèn)為導(dǎo)通壓降與電流成線性關(guān)系，所以飽和壓降的表達(dá)式為

本文采用SVPWM 控制，可以得到此時(shí)的相電流時(shí)域表達(dá)式為

當(dāng)采用兩相調(diào)制時(shí)，UVW 三相中有一相恒高或者恒低，此時(shí)我們可以計(jì)算出每一相的作用時(shí)間。根據(jù)文獻(xiàn)［15］可知，當(dāng)目標(biāo)向量落在各自扇區(qū)，根據(jù)矢量合成法則，可以得到基本矢量作用時(shí)間如下等式：

本文以U相的IGBT為研究對(duì)象，根據(jù)表1我們可以得到U相在第一扇區(qū)的導(dǎo)通占空比為

結(jié)合式（8）～（9）我們可以計(jì)算出其余扇區(qū)中U相占空比并匯總得：

同理我們可以得到三相調(diào)制下占空比表達(dá)式［6］：

φ為電壓超前電流相位；m為調(diào)制比。

本文針對(duì)單個(gè)IGBT 模塊進(jìn)行研究，根據(jù)IGBT的工作特性，我們可以得到：?jiǎn)蝹€(gè)IGBT的作用時(shí)間為半個(gè)周期，此時(shí)的導(dǎo)通損耗計(jì)算可以表示為

將三相調(diào)制占空比代入式（12）得［6］：

由于在一個(gè)周期內(nèi)，IGBT 和FWD 的導(dǎo)通占空比加起來是1，所以我們可以計(jì)算出FWD的導(dǎo)通損耗［6］：

將兩相調(diào)制的占空比帶入計(jì)算得：

通過上述計(jì)算結(jié)果我們可以得出：在一個(gè)電流周期內(nèi)，不管采用哪種調(diào)制方式，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，IGBT 模塊導(dǎo)通損耗的大小與單個(gè)電流周期內(nèi)時(shí)間沒有關(guān)系，和電壓超前角相關(guān)。

3.3 理想PMSM電機(jī)仿真

根據(jù)文獻(xiàn)［1］搭建理想電機(jī)模型，如圖2所示。

圖2 理想電機(jī)仿真模型

設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000rpm，母線電壓為330V，軟件的開關(guān)頻率為10K，模型SVPWM 模塊中可以通過標(biāo)定來切換調(diào)制方式（如圖3所示）。

圖3 SVPWM占空比計(jì)算模塊

兩種調(diào)制方式下仿真波形如表2所示。

從表2 仿真波形數(shù)據(jù)中我們可以發(fā)現(xiàn)（當(dāng)采用兩相調(diào)制時(shí)SW5flg 的數(shù)值為1，即每張波形圖都有體現(xiàn)），三相調(diào)制和兩相調(diào)制不會(huì)對(duì)相電流和IGBT導(dǎo)通損耗的大小產(chǎn)生影響，也驗(yàn)證了上節(jié)中導(dǎo)通損耗的大小與單次導(dǎo)通時(shí)間無關(guān)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于文獻(xiàn)［9］中Simulink 仿真軟件搭建結(jié)溫估算模型如圖4 所示，可以知道不同的調(diào)制方式在相同工況下IGBT 產(chǎn)生總損耗大小不同，進(jìn)而IGBT 總的散熱功率發(fā)生變化，造成IGBT 內(nèi)部溫升的大小發(fā)生改變，導(dǎo)致IGBT 模塊的內(nèi)部結(jié)溫也會(huì)發(fā)生變化。

圖4 結(jié)溫估算模型［9］

為了驗(yàn)證不同調(diào)制方式對(duì)IGBT模塊溫度的影響，進(jìn)行實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)，先將壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)在一個(gè)穩(wěn)定的0.3Mpa～1.5Mpa 的工況，平穩(wěn)運(yùn)行半小時(shí)后，開始進(jìn)行標(biāo)定，將兩相調(diào)制與三相調(diào)制相切換，最后發(fā)現(xiàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同調(diào)制溫度數(shù)據(jù)

從數(shù)據(jù)上看，當(dāng)黃色曲線代表的Iq數(shù)值不發(fā)生向上趨勢(shì)變化時(shí)，我們認(rèn)為此時(shí)壓縮機(jī)處于平衡狀態(tài)。在外部負(fù)載不變的情況下，更改標(biāo)定切換調(diào)制方式（如圖紅色曲線7T5SW_flg 為1 時(shí)是兩相調(diào)制，值為0 是三相調(diào)制），可以看出綠色曲線所代表的母線功率DCHipower有明顯的下降，此時(shí)采樣的PCB 的溫度（橙色曲線）有明顯下降，下降了5.7℃。從IGBT 結(jié)溫估算模型［9］中可以推出：當(dāng)PCB溫度下降，Tcase溫度會(huì)下降，進(jìn)而Tj溫度也會(huì)有下降趨勢(shì)。

5 結(jié)語

本文基于SVPWM 矢量控制為基礎(chǔ)，分析了三相調(diào)制和兩相調(diào)制對(duì)IGBT 模塊的損耗的影響，并對(duì)兩種調(diào)制方式下IGBT模塊溫度進(jìn)行了分析。通過研究發(fā)現(xiàn)，三相調(diào)制的總損耗大于兩相調(diào)制，損耗差異在開關(guān)損耗上，導(dǎo)通損耗大小不會(huì)發(fā)生變化。從溫度上看，三相調(diào)制下的IGBT 模塊溫度要高于兩相調(diào)制控制下溫度。