概述

在本文中，我們將研究三相逆變器功率模塊的設(shè)計(jì)仿真方面。逆變器必須同時(shí)運(yùn)行的快速開關(guān)速度以及高額定功率帶來(lái)了許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，例如熱管理、EMC 合規(guī)性和可靠性。在本文中，我們將使用仿真來(lái)了解這些挑戰(zhàn)并評(píng)估不同的設(shè)計(jì)選擇。

1、簡(jiǎn)介

可靠的電力電子系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)汽車的運(yùn)行至關(guān)重要。 它管理電動(dòng)汽車各個(gè)部件之間的電能傳輸和轉(zhuǎn)換。 無(wú)論是從外部充電站為電池充電還是從再生制動(dòng)中回收能量，無(wú)論是將電池的直流電流轉(zhuǎn)換為電機(jī)的交流電流，還是將電池的電壓電平轉(zhuǎn)換為不同的電氣子系統(tǒng)，功率 電子產(chǎn)品在電動(dòng)汽車中發(fā)揮著重要作用。 在實(shí)現(xiàn)高功率密度的同時(shí)保持其熱可靠性，對(duì)電力電子系統(tǒng)的要求變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。 在本文中，我們將研究三相逆變器功率模塊的設(shè)計(jì)，并使用仿真研究其電氣和熱行為。

2.幾何模型

圖 1 所示為所考慮的三相逆變器功率模塊的幾何結(jié)構(gòu)。它具有三個(gè)獨(dú)立的 H 橋部分，每個(gè)部分具有兩條直流輸入引線和一條交流輸出引線。圖 2 所示是這些 H 橋部分之一的特寫視圖。它顯示了三個(gè)平行的電流路徑，每個(gè)路徑都有一個(gè) IGBT 芯片（方形）和一個(gè)并聯(lián)二極管芯片（矩形） 在高側(cè)和低側(cè)。圖 3 中的側(cè)視圖顯示了與熱設(shè)計(jì)相關(guān)的布局的分層結(jié)構(gòu)。 IGBT 和二極管管芯焊接到 DBC 層上。 IGBT 和二極管管芯的端子在它們自己和斷開的 DBC 層之間適當(dāng)?shù)剡B接，使用引線鍵合來(lái)實(shí)現(xiàn) H 橋部分。然后將斷開的 DBC 層通過(guò)基板連接到基底金屬板，然后再連接到另一個(gè)單獨(dú)的 DBC 層。襯底用于導(dǎo)熱，同時(shí)仍將其上方的 DBC 層電絕緣。基底金屬板用于將熱量從模具散布到下方的散熱片上。

圖 1：三相逆變器功率模塊幾何外部（左）和內(nèi)部（右）視圖

圖 2：?jiǎn)蜗?H 橋部分的特寫視圖

圖 3：電源模塊幾何結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，顯示了分層結(jié)構(gòu)

3. 模擬

3.1 電氣特性

在本節(jié)中，我們將研究逆變器功率模塊的電氣特性。 我們將從提取 IGBT、二極管管芯和 DBC 之間的絲焊連接產(chǎn)生的寄生參數(shù)開始。 由于寄生電感很大程度上取決于連接的幾何形狀，因此我們只需要考慮長(zhǎng)度不同的焊線組。 我們使用專用的部分電感計(jì)算器，計(jì)算不同組焊線連接的寄生電感和電阻。 下面總結(jié)了不同連接的結(jié)果。

圖 4：連接不同 IGBT、二極管芯片和 DBC 的引線鍵合

通過(guò)計(jì)算寄生電感和電阻值，我們可以使用等效一維電路圖來(lái)表示逆變器功率模塊，如圖 5 所示。 在這里，您會(huì)注意到我們已將每個(gè) H 橋部分中存在的三個(gè)并行電流路徑合并為一個(gè)。 因此，我們忽略了這些并聯(lián)電流路徑中連接不對(duì)稱所產(chǎn)生的影響。 IGBT 和二極管使用相同電壓等級(jí)的供應(yīng)商提供的 P-SPICE 電路模型進(jìn)行建模。 對(duì)于這項(xiàng)工作，我們使用理想化的電池和三相電感負(fù)載來(lái)表示電機(jī)。

圖 5：用于電氣表征的等效一維電路圖

接下來(lái)我們定義柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)分析逆變器的輸出特性。 對(duì)于柵極驅(qū)動(dòng)器，我們使用 10 kHz 的正弦三角三相脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)。 生成的柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)顯示在圖 6 的左側(cè)。 產(chǎn)生的三相電流輸出顯示在右上角，持續(xù)四個(gè)周期。 該圖的右下方描繪了其中一個(gè) IGBT 的集電極-發(fā)射極電壓以及柵極-發(fā)射極電壓信號(hào)。 我們可以清楚地看到由于感應(yīng)效應(yīng)在柵極關(guān)斷期間產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。

圖 6：10 kHz 的三相 PWM 信號(hào)（左）、三相逆變器輸出電流（右上）、柵極關(guān)閉期間 VCE 中的電壓尖峰（右下）

3.2 熱特性

接下來(lái)我們將注意力轉(zhuǎn)向功率模塊的熱特性。 逆變器設(shè)計(jì)的一大挑戰(zhàn)是能夠?qū)?IGBT 和二極管的結(jié)溫保持在其工作值。 還必須確保整個(gè)功率模塊的溫度分布相對(duì)均勻。 如圖 3 所示，IGBT 和二極管管芯中產(chǎn)生的熱量最初通過(guò)層狀結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)，然后使用基底金屬板傳播，最后使用流體對(duì)流。

圖 7：三相逆變器功率模塊系統(tǒng)示意圖（左），IGBT 和二極管在其工作結(jié)溫下的平均熱損耗。

我們使用系統(tǒng)行為建模工具來(lái)計(jì)算 18 個(gè) IGBT 和 18 個(gè)二極管中每個(gè)周期產(chǎn)生的平均熱損耗。 如圖 7 所示，電源模塊的設(shè)置與電氣特性類似，但現(xiàn)在我們考慮所有電流路徑。 IGBT 和二極管管芯的損耗行為是使用供應(yīng)商通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的與溫度和集電極電流相關(guān)的表格數(shù)據(jù)捕獲的，并且可在產(chǎn)品規(guī)格表中找到。 10 kHz PWM 信號(hào)在其工作結(jié)溫下的平均功率損耗對(duì)于二極管約為 125 W，對(duì)于 IGBT 約為 400 W。

圖 8：考慮的兩個(gè)參考冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)：縱向流動(dòng)（左）和橫向流動(dòng)（右）

我們將計(jì)算 IGBT 和二極管中與溫度相關(guān)的功率損耗的一維系統(tǒng)求解器與計(jì)算功率模塊中溫度分布的 CFD 共軛傳熱求解器耦合。 CFD 求解器是基于 Navier-Stokes 有限體積的求解器，它依賴于流體區(qū)域中的主體擬合網(wǎng)格和固體區(qū)域中的非共形網(wǎng)格。固體-固體和固體-流體邊界之間的熱界面被自動(dòng)檢測(cè)和強(qiáng)制執(zhí)行。核心求解器依賴于具有分離速度和壓力公式的并置有限體積方案。梯度計(jì)算基于保證二階精度的最小二乘公式。如圖 8 所示，我們考慮了兩個(gè)參考冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。第一個(gè)設(shè)計(jì)考慮沿縱向的流動(dòng)，而第二個(gè)設(shè)計(jì)考慮沿橫向的流動(dòng)。 CFD 模擬中的總單元數(shù)約為 2M 單元 - 1.23M 用于流體體積，其余用于網(wǎng)格劃分固體。在這兩種情況下，冷卻液以每小時(shí) 300 升的速度在 20 ℃ 的溫度下注入。出口被建模為向大氣開放的零壓力出口。

圖 9：縱向（頂部）和橫向（底部）功率模塊的計(jì)算溫度曲線

圖 9 所示為功率模塊縱向和橫向流動(dòng)的溫度曲線。 從圖中可以看出，縱向流動(dòng)可以在整個(gè)功率模塊上獲得相對(duì)均勻的結(jié)溫，約為70℃，而橫向流動(dòng)則導(dǎo)致功率模塊中心溫度分布不均勻，溫度較低。 橫向流動(dòng)導(dǎo)致溫度分布不均勻，因?yàn)樵谡麄€(gè)功率模塊中流動(dòng)不均勻。 橫向和縱向流動(dòng)都可以受益于歧管設(shè)計(jì)，以保持整個(gè)功率模塊的溫度均勻。 當(dāng)我們稍后考慮電源組件的設(shè)計(jì)時(shí)，我們將研究這種設(shè)計(jì)。

4、結(jié)論

我們研究了電動(dòng)汽車逆變器功率模塊的設(shè)計(jì)和仿真方面。 特別是，我們研究了功率模塊的電氣和熱行為。 我們將一維等效行為模型與 CFD 求解器結(jié)合起來(lái)計(jì)算結(jié)溫，并能夠設(shè)計(jì)參考冷卻系統(tǒng)以將 IGBT 和二極管的結(jié)溫保持在其工作范圍內(nèi)。

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