党艳辉，赵英军，高乙栋，李莉莉

新能源汽车控制器IGBT动态温升分析

党艳辉，赵英军，高乙栋，李莉莉

（深圳麦格米特电气股份有限公司，广东 深圳 518057）

针对电动汽车控制器的热设计，需要考虑低输出频率情况下绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的温升情况，从而防范IGBT在低输出频率工况下烧毁。由于IGBT低频载荷工况为短时瞬态过程，实验测试无法实现，故采用瞬态仿真验证改进实际设计。论文针对采用水冷散热的富士功率模块进行瞬态仿真计算，对比了450 A工况下常规模式和输出频率为50 Hz、20 Hz、10 Hz、5 Hz和2 Hz情况下功率模块IGBT的温度响应情况。结果表明，随着IGBT输出频率的降低，最高温度逐步升高，其中5 Hz和2 Hz最高温度分别为162 ℃和181 ℃，与常规模式相比分别提高了39 ℃和58 ℃。

新能源汽车；汽车控制器；IGBT；输出频率；瞬态仿真；散热

在全球“双碳”背景下，新能源汽车的发展已势不可挡。绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）作为控制器的核心半导体器件，因其耗散热流密度大、芯片封装结构复杂，致使散热不足，造成封装模块热应力过大及材料疲劳失效，甚至烧毁芯片[1-3]，由于温度过高导致元件失效率高达55%[4]。

电子设备的通用散热方式包括空气自然对流、强迫流体冷却、冷板/热管散热、相变冷却等。上述方式中，最差的散热方式为空气自然对流，难以满足元件功率持续增加的需求[5]。而热管和相变冷却等技术成果还较高，因此，强迫空气/液体冷却技术能备受关注。林鑫等[6]通过水冷的IGBT仿真得到最优散热模型；郑鹏洲[7]对比分析了带有不同翅柱形状的IGBT液冷散热器的散热性能。KIMURA 等[8]研究结果表明直接液冷散热器和间接液冷散热器相比减少了30%的总热阻，可以大幅度降低 IGBT 模块的温度。

本文采用强迫水冷方式对富士IGBT模块进行散热仿真，得到不同输出频率下IGBT动态温升情况，合理设计IGBT散热，保证足够裕量。

1 理论方程

1.1 IGBT功率损耗计算方程

IGBT工作过程中损耗主要为开通损耗、关断损耗、通态损耗和断态损耗[9]。IGBT模块为半导体，其自身存在电阻，产生焦耳热即所谓的通态损耗。

式中，为 IGBT操作运行周期；为模块的导通电流；CE(sat)为 IGBT电压压降；为功率损失。

IGBT 在开通和关断的瞬间所产生的电能损耗即开关损耗，过程中所产生的波形图积分可得开关损耗的大小：

式中，PWM为IGBT开关频率。因此，IGBT总的功率损耗为

1.2 仿真控制方程

热传递有热传导、热对流和热辐射3种传递方式[10]。IGBT模块实际工况包含上述方式，但仿真分析过程中可忽略其中能量传递较弱方式。 IGBT模块内部会产生大量的焦耳热通过热传导传递。本文IGBT安装在铝制水冷板上采用强制水冷散热。IGBT模块一般极限工作温度为150 ℃，而辐射传热在温度大于500 ℃才较明显，故忽略此部分效应。

根据以上传热导理论，含散热结构IGBT模块的仿真控制方程由热传导方程和包含了连续性方程、动量方程和附加能量守恒方程的纳维斯托克斯方程构成。

热传导方程为

式中，为材料的导热系数；为坐标轴方向；v为热源密度；为材料温度。

流场方程由质量方程、能量方程和动量方程这三个方程构成，质量方程为

动量方程：

能量方程：

式中，、、分别为流体沿方向、方向、方向的速度分量；分别为流体的温度和压力；、、p分别为流体的密度、动态黏度和比热容。

2 简化模型及边界条件

2.1 简化模型

本文功率管选用富士的功率模块，型号为2MBI600VN-120-50，每个模块内部采用2组管子并联（IGBT和前轮驱动（Front Wheel Drive, FWD）），整个控制器采用3个模块。模型如图1所示。

图1 IGBT模块仿真模型图

液冷板材料为铝6063，通过机加工和搅拌摩擦焊接的方式做出，流道具体尺寸如表1所示。

表1 液冷板尺寸参数

流程外部结构尺寸（长×宽×高）/mm流道宽度/mm流道翅片尺寸（长×宽×高）/mm 4300×260×206200×1.5×8

选用材料中，IGBT芯片为硅，基板为铜，散热器为铝合金，各部位的具体材料属性参数如表2所示。

表2 材料属性参数

名称密度/(kg/m3)导热率/[W/(m•K)]比热容/[kJ/(kg•K)] 铜硅8 9402 330401191395871 铝60632 690201963

2.2 边界条件

2MBI600VN-120-50的最大工作电流是600 A，考虑到实际的散热条件，一般都会降额使用，这里以450 A为例，对其不同输出频率下的温升进行分析。开关频率5 000 Hz，导通电阻1.1 Ω，关断电阻3.2 Ω，母线电压540 V。

在这种工况下，IGBT单管平均损耗525.1 W，二极管单管平均损耗139.7 W，常规计算内部芯片的损耗不随时间变化，而实际上不同输出频率的情况下，平均损耗虽然相同，但在单个工作周期内损耗是随时间变化的。

考虑到计算时间问题，这里只对50 Hz、20 Hz、10 Hz、5 Hz、2 Hz和常规计算求解5 s（5 s的时间内结壳已经稳定），以此进行对比分析，如表3所示。

表3 不同模式下IGBT运行周期及其热耗

计算模式周期/s热耗/W 常规模式5.003 988.8 50 Hz0.023 988.8 20 Hz0.053 988.8 10 Hz0.103 988.8 5 Hz0.203 988.8 2 Hz0.503 988.8

选用体积比50%的乙二醇水溶液作为冷却液，进口温度为50 ℃，进口流量为10 L/min，外部环境温度也为50 ℃。水道内部流速大约1.0 m/s，散热翅片的对流换热系数大约2 808 W/(m2•K)。

3 仿真结果分析

仿真结果如图2—图7所示。

不同载频下温度波动范围如表4所示，从仿真结果可以看出，常规计算没有考虑输出频率的影响，IGBT模块损耗是按照平均损耗设定的，这种情况下，IGBT结温是逐步升高的，但没有出现上下波动，考虑输出频率的影响后，50 Hz的情况下，IGBT最高结温比常规计算偏高，随着输出频率的降低，最高温度逐步升高，5 Hz的情况下最高温度比常规计算温度高39 ℃，2 Hz的情况下最高温度比常规计算偏高58 ℃，所以在设计时要注意低速下的过温保护工作。

图2 常规模式单管温度曲线

图3 50 Hz单管热耗及温度曲线

图4 20 Hz单管热耗及温度曲线

图6 5 Hz单管热耗及温度曲线

图7 2 Hz单管热耗及温度曲线

表4 不同载频下温度波动范围 单位：℃

计算模式最后周期最低温度最后周期最高温度 常规模式123 50 Hz128140 20 Hz125144 10 Hz120151 5 Hz112162 2 Hz102181

4 结论

仿真过程中，常规的计算方法比50 Hz的温度偏低，但是差别相对较小，不足以导致IGBT模块热失效，动态计算耗费时间基本上是静态计算的10倍以上，考虑到计算时间问题，50 Hz以上输出频率的工况，可以参考常规计算方法，20 Hz以下输出频率的工况，差别逐渐增加，要区别对待，5 Hz以下IGBT结温波动较大，例如在5 Hz的情况下，如果出现最大扭矩的工况，比如爬坡状态下，电流450 A将有可能烧毁IGBT晶圆，所以要通过降低电流来对IGBT模块进行保护，以保证控制器的可靠性。

[1] BORNOFF R, VASS-VARNAI A, BLACKMORE B, et al. Full-circuit 3D Electro-thermal Modeling of an IGBT Power Inverter[C]//2017 33rd Thermal Measur- ement, Modeling & Management Symposium.Piscata- way:IEEE,2017:29-35.

[2] 孙海峰,王亚楠.基于有限元方法的IGBT热模型仿真[J].电力科学与工程,2019,35(6):15-22.

[3] 陈清.电动汽车IGBT模块液冷散热及封装可靠性研究[D].重庆:重庆大学,2016.

[4] 高凤良,黄雄峰,范虹兴,等.基于流固耦合的大功率IGBT模块散热结构设计[J].电气传动,2022,52(9): 32-38.

[5] 唐强.IGBT元件热管冷却传热性能的实验与数值研究[D].兰州:兰州交通大学,2013.

[6] 林鑫,应保胜,聂金泉,等.基于水冷的 IGBT 模块散热结构设计及优化[J].重庆理工大学学报（自然科学）,2021,35(6):73-79.

[7] 郑鹏洲.采用高热导率技术实现电动汽车和混合电动汽车用的高功率密度IGBT模块[J].电力电子, 2013(3):41-45.

[8] KIMURA T,SAITOU R,KUBO K,et al. High-power- density Inverter Technology for Hybrid and Electric Vehicle Applications[J].Hitachi Review.2014,63(2): 96-102.

[9] 牛云华.基于ANSYS Workbench的电动汽车功率变换器冷却技术仿真研究[D].西安:长安大学,2015.

[10] 杨世铭,陶文铨.传热学[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.

Dynamic Temperature Rise Analysis of New Energy Vehicle Controller IGBT

DANG Yanhui, ZHAO Yingjun, GAO Yidong, LI Lili

( Shenzhen Megmeet Electrical Company Limited, Shenzhen 518057, China )

For the thermal design of electric vehicle controller, it is necessary to consider the temperature rise of insulated gate bipolar transistor (IGBT) at low output frequency to prevent the IGBT from burning out at low output frequency.Because the low frequency load condition of IGBT is a short-time transient process, the experimental test cannot be realized, so the transient simulation is used to verify and improve the actual design. In this paper, the transient simulation of Fuji power module with water-cooled heat dissipation is carried out, and the temperature response of the power module IGBT is compared between the conventional mode and the output frequency of 50Hz, 20Hz, 10Hz, 5Hzand 2Hz in 450 A working condition. The results show that with the decrease of IGBT output frequency, the maximum temperature gradually increases, among which the maximum temperature of 5Hz and 2Hz is 162 ℃ and 181 ℃ respectively, which is 39 ℃ and 58 ℃ higher than that of conventional mode.

New energy vehicle; Vehicle controller; IGBT; Output frequency; Transient simulation; Dissipate heat

TN322.8

A

1671-7988(2023)10-07-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.002

党艳辉（1982—），男，硕士，工程师，研究方向为传热传质，E-mail:dangyanhui@megmeet.com。