周雒维 张益 王博

摘 要：针对结温波动加快绝缘栅双极型晶体管（IGBT）老化失效的问题，提出一种基于调节缓冲电容改变IGBT关断轨迹的热管理方法。依据IGBT寿命模型，通过关断轨迹调节关断损耗大小以平滑结温波动的方法能提高IGBT使用寿命。与现有的热管理方法相比，该方法具有对主电路影响小、实现简单等优点。首先，阐述热管理电路的工作原理，分析缓冲电路对IGBT关断损耗的影响。然后，建立IGBT损耗计算模型，归纳关断轨迹热管理调节能力的评估方法，以1.2 MW直驱风机系统为例，关断轨迹热管理可以平滑20%额定功率的负载变化造成的结温波动。最后，对该热管理方法进行小功率的实验验证。

关键词：绝缘栅双极型晶体管;热管理;缓冲电容;关断轨迹;损耗

中图分类号：TM 46

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2019）04-0028-09

0 引 言

随着新能源技术和可再生能源的迅速发展，功率变流器得到了广泛地使用，但较低的可靠性严重地制约了其发展和运用[1-3]。根据工业反馈[2-4]，运用在风力发电的变流器故障率高，正常使用寿命远低于预期标准;在电动汽车的使用中，因为变流器损坏而增加的维修成本一定程度上抵消电动汽车所带来的环保和经济优势。研究表明变流器中功率器件损坏是影响其可靠性的最主要因素[5]。IGBT作为运用最广泛的功率器件之一，由于其各层封装材料的热膨胀系数不同，结温的频繁波动会导致各层热应力差异，加快其疲劳老化，降低使用寿命[6-7]。Bayerer寿命模型[8]指出，降低IGBT的结温波动是增加其可靠性的重要手段。

IGBT芯片结温波动主要分为两种：一种是由变流器输出功率正弦变化引起的基频结温波动，如风电网侧变流器输出功率（50 Hz）;另一种是由负载或输入功率变化所引起的低频结温波动，如风电变流器中风速的波动[9]。由于IGBT芯片结温相对于输入功率的传递函数近似为低通滤波器[10]，基波频率较高时IGBT基频结温的波动幅值很小，低频结温波动是降低IGBT可靠性的主要因素。因此，平滑低频结温波动对提高IGBT的期望寿命很有意义。

文献[11]提出了通过改变开关频率的热管理方法，由于IGBT开关损耗与开关频率正相关，当变流器输出电流变小时IGBT的结温也会降低，此时加大开关频率可以弥补减小的开关损耗从而降低结温波动幅值，该方法不需要增加额外硬件设备，但降低开关频率，会增加变流器的纹波，降低其输出质量。文献[12]提出了基于门极驱动电阻的热管理方法，但由于IGBT内含寄生驱动电阻，所以调节效果不明显。文献[13-14]提出基于功率分配的结温平滑方法，通过限制变流器的功率，控制IGBT的最大结温，该方法只能应用于多台变流器并联的系统中，并且每台变流器都降额使用，降低了功率密度。

综上所述，现有的热管理方法大多有降低输出波形质量，控制复杂，对主电路影响较大等缺点。针对上述问题，本文提出一种通过调节RCD型缓冲电路电容的方法改变IGBT关断轨迹，根据IGBT处理功率的变化，调节IGBT关断损耗，平衡IGBT内部损耗波动，从而达到降低结温波动的目的。该方法不影响变流器输出质量，控制简单，亦可和其他方法联合使用。

1 关断损耗平滑结温的思路

IGBT的损耗主要由开通损耗PT_on、关断损耗PT_off和导通损耗Pcon组成[15]。其中开关损耗与母线电压Vdc、负载电流Io、开关频率fs和芯片结温Tj相关。导通损耗主要受负载电流Io和结温Tj影响，因此IGBT的损耗功率可表示为

在一些大功率的IGBT模块中，由于母线电压较高，开关损耗占比较大。以富士电机的IGBT模块（2MBI1000VXB-170EA-50）为例，当其以额定负载运行在两电平的逆变器中时，通过富士官网提供的损耗仿真软件（Fuji IGBT Simulator Ver6.0.9）可以得到开通损耗、关断损耗、导通损耗的占比分别为27%、41%、32%。导通损耗由IGBT工作电流决定，不易改变;开通损耗占比较小且受电路中寄生电感的影响较大;关断损耗占比较高，适用于IGBT的低频结温波动的调节。

充放电型的RCD缓冲电路可以降低IGBT的关断损耗，若缓冲电路中的电容换成可调电容，如图1所示，则不同的缓冲电容对应的关断损耗大小也不相同。由负载波动而引起的IGBT损耗变化可通过调节缓冲电容的大小弥补，从而平滑IGBT结温波动，如图2所示。

2 RCD缓冲电路调节关断损耗的原理

图3是逆变器中一个IGBT桥臂的工作原理示意图。在开关周期内，认为逆变器输出电流Io不变。T1闭合T2关断时，负载电流通过T1流出，此时T1承受的压降约为0，如图3（a）所示;在T1关断过程中（T2由于死区时间并未开通），由于负载电流不能突变，此时电流通过二极管D2进行续流，如图3（b）所示，但在T1两端电压上升到母线电压前，二极管承受反向压降不能导通，因此流过T1的电流只能在其电压上升到母线电压后再通过D2续流，如图3（c）所示。从IGBT电流下降开始计算（Ⅱ区域），IGBT的关断损耗通过积分计算为

有缓冲电路的情况下IGBT导通时如图4（a）所示，缓冲电路被短路，負载电流通过IGBT流出。当IGBT关断时如图4（b）所示，流过IGBT的电流在同桥臂的另一只二极管正向导通前就可以通过RCD缓冲电路进行续流，IGBT电流会立即减小，关断损耗也会降低。此时IGBT电压、电流波形如图5所示。

图5（a）中流过IGBT的电流在其电压上升过程中就开始减小。缓冲电路中的电容取值越大，电压上升过程越缓慢，斜率越小，图5（b）是不同电容大小对应的电流电压波形（Cs0

由式（8）可知，随着缓冲电容的增大，IGBT的关断损耗逐渐减小。从上述理想情况下的理论分析可知，加入缓冲电路的IGBT关断损耗相对于无缓冲电路的情况不仅可以减小Ⅱ区域内的损耗，也可以消除Ⅰ区域中的损耗，且改变缓冲电容的大小可以调节Ⅱ区域内的损耗大小。在图4所示的缓冲电路中，当IGBT开通时，储存在电容中的能量通过缓冲电阻R向IGBT回馈，电阻R的取值比IGBT导通电阻大得多，电容中的能量几乎全消耗在电阻R中，因此不会影响IGBT的开通损耗大小。

一般RCD缓冲电路中缓冲电阻取值主要有两方面限制。一是要限制缓冲电容放电电流大小，二是要保证在IGBT的最小占空比内，缓冲电容的能量可以完全释放，文献[16]推导了缓冲电阻的取值范围为

由于缓冲电容支路上电流的di/dt较大，所以不能忽略缓冲电容支路上的寄生电感，寄生电感产生的感生电压将会影响IGBT的关断损耗。在IGBT集电极—发射极两端并联电容后，会改变IGBT的拖尾电流，这个现象是由于增加缓冲电容后，流过漂移区的电流受电容电场影响引起的[17-19]。文献[20]指出，并联缓冲电容后IGBT的关断损耗受这个现象的影响较大，电容值越大，Itm越小，并测试了母线电压300 V、关断电流75 A、结温125 ℃条件下不同IGBT在不同缓冲电容下的关断损耗如图6所示，图中的虚直线为缓冲电路的损耗。考虑缓冲电容支路上寄生电感和拖尾电流的影响，IGBT关断过程的电压、电流波形如图7所示。

从图6可以看出，缓冲电容和关断损耗符合指数分布关系，缓冲电容越大，关断损耗越低。但是随着缓冲电容增大，电容吸收的能量也越大，电容的能量将消耗在缓冲电阻上，缓冲电容的取值需要考虑缓冲电阻的散热问题。如果受变流器内部空间限制，不能为缓冲电阻增加额外的散热器，可以使缓冲电路的损耗等于IGBT减小的损耗，这样缓冲电阻可以直接安装在IGBT的散热片上，不需要增加额外的散热器，也不会影响变流器内部的热设计。例如图6中2MBI75_060模块的缓冲电容取100 nF，则缓冲电路增加的损耗和IGBT减小的关断损耗均为4.5 mJ，关断损耗减少50%，缓冲电阻不需要额外的散热器。如果原变流器的散热设计留有较大余量，或者变流器有足够空间可以为缓冲电阻增加散热器，主动结温控制电路可以选择更大的电容，增加结温平滑范围。综上所述，缓冲电容的选取需要在缓冲电路损耗和结温平滑能力折中考虑。

3 调节范围

调节范围指的是指当负载波动在一定范围内时能通过缓冲电路调节关断损耗使IGBT总损耗维持不变。本节推导出一种用于估算调节电路调节能力的方法，该方法能在不同功率等级的电路中应用。

变流器参数如表1所示，调制方式为正弦脉宽调制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM），选用的IGBT模块为富士电机的2MBI1000VXB-170EA-50（Vce=1 700 V，Ice=1 000 A）并联构成。

文献[21]给出了IGBT的开关损耗和通态损耗的估算方法。通过对数据手册Vce/Ic和开关损耗Eon/Eoff曲线进行采样拟合可以得到损耗估算所需全部参数，拟合结果如图8所示。

从图9中可知，当负载电流在386～500 A之间波动时，通过调节关断轨迹调节IGBT的关断损耗，可以使IGBT的总损耗维持在900 W，也就是说负载在额定功率的22.8%（386～500 A）以内波动时，IGBT损耗可以保持不变，维持IGBT结温恒定。

4 实验验证

由于目前IGBT结温的在线测量方法尚不成熟，本文实验采用开封未灌胶的IGBT模块，并使用红外测温仪监测结温变化。开封未灌胶的处理使IGBT模块的绝缘性受到了破坏，不能施加很高的母线电压。由于论文所提方法的工作原理和IGBT处理功率无关，所以本文通过小功率实验验证所提方法的原理，如图10所示。

如图10（a）所示，实验平台为单相桥式电路，IGBT模块（未填充硅胶）的型号为2MBI75VA-120-50，图中阴影部分为热管理调节电路，主电路结构如图10（b）所示。图10（c）和图10（d）分别给出了热管理调节电路的原理图和实物照片，其中电容容值的改变通过并联电容的方式实现。

热管理调节电路中，电容采用无感电容以减小寄生参数的影响，开关器件采用金属—氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor， MOSFET），其寄生的反向二极管可以为电容放电提供回路。实验平台电路主要参数如表2所示。根据第4节推导的调节能力估算方法，可以估算出在表2的工况下，该热管理方法最大可以平滑10%负载变化造成的结温波动，如图11所示。

从图12（a）和图12（b）可以看出有无缓冲电路的情况下IGBT关断波形的差异，如理论分析所示，缓冲电路的加入使得IGBT电流可以迅速下降，减小了关断损耗的大小。图12（c）和图12（d）是不同缓冲电容大小下IGBT关断波形，电容大小不影响IGBT关断电流的下降斜率，但会改变拖尾电流大小和时间。电容越大，关断电压上升斜率也越小。

结温平滑实验中，当逆变器工作在负载电流为33 A的额定电流时，缓冲电容支路开关全部闭合，此时IGBT损耗最低。当负载降低时，根據负载电流大小改变缓冲电容的容值从而达到损耗平衡的目的。负载电流按照33 A-32 A-33 A-30 A-33 A-28 A变化，缓冲电容调节前的结温波动波形如图13（a）所示。此时电容大小根据负载电流进行选择95 nF（33 A），68 nF（32 A），27 nF（30 A），0（<30 A），调节后结温波形如图13（b）所示。可以看出，当负载波动为额定负载的10%左右时，关断轨迹结温控制方法可以完全的平滑结温;当负载电流波动高于缓冲电路可以调节的范围，关断轨迹结温平滑降低了结温波动的幅度，从ΔTj=2.5 ℃降低到ΔTj=0.5 ℃。实验结果与图11推测的调节范围相符。

5 结 论

本文提出一种基于调节IGBT关断损耗的热管理方法，该方法通过动态的改变IGBT缓冲电容来调节IGBT关断损耗。通过分析IGBT开关过程推导了该方法的调节能力，以1.2 MW风机变流器为例，该方法最大能平衡负载波动22.8%所引起的结温变化。进行了小功率实验，实测的IGBT开关波形验证了热管理方法原理的正确性，最后的平滑结果也满足对该方法调节能力推导。

相比于开关频率调节、驱动调节等热管理方法，该方法具有可以独立控制每个IGBT热载荷、控制简单等优点，可以应用于新能源发电等非平稳工况的变流器中，以提高IGBT寿命期望。

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（编辑：邱赫男）