大功率机电伺服IGBT热仿真

徐志书 李光学 岳宗帅 李东东 武佳乐

摘要

本文针对大功率机电伺服应用的英飞凌绝缘栅双极性晶体管（IGBT）模块，分析了IGBT热功耗的数学模型，并结合仿真软件针对机电伺服实际工况对工GBT的功耗进行了热仿真，并对实际情况进行了试验验证。

【关键词】大功率机电伺服 绝缘栅双极性IGBT 热仿真

1 引言

绝缘栅双极性晶体管QGBT）是大功率机电伺服核心功率器件。自20世纪80年代出现以来，涵盖了600～6500V的电压范围和1～3600A的电流范围。随着机电伺服功率等级越来越高，IGBT的工作电压、电流也越来越大，对IGBT的热分析也显得越来越重要。本文對IGBT模块的热数学模型进行了分析，并以某项工程实际工况对IGBT进行了热仿真分析，并通过实际试验进行了IGBT温度测量进行了试验验证。

2 IGBT模块散热计算方法

IGBT模块总耗散功率为：

2.1 单IGBT核的导通与开关损耗单IGBT核的导通损耗为：

其中：

其中τ（t）为开关函数

由上述公式可得：

其中m为调制率。

单IGBT核的开关损耗为：

其中，V_dc为母线电压波动值.

2.2 单diode cell的功耗计算

根据IGBT cell的推算过程，同理可推出Diode的

2.3 IGBT模块引线电队损耗

其中其中对于材料铜，α=3.58e-3k^-1（10）

3 IGBT模块散热仿真

针对某伺服控制驱动器所配套的30kw级机电伺服系统，其所用的功率IGBT为FS300R12OE4，根据被控电机的反电势系数、转矩系数可以推算处IGBT的电流、频率等仿真信息，对以下三种情况分别进行了热仿真，仿真工况及仿真结果分别如图1、图2、图3所示：

（1）匀速1454rpm，负载转矩在0-10S（s代表时间国际单位秒），内均匀增加至16N.M，持续时间50s，然后在10s内匀减至0N.M（轻度负载特性）。

（2）匀速2432rpm，负载转矩在0-10S内均匀增加至28N.M，持续时间50s，然后在10s内匀减至0N.M（重度负载特性1）。

（3）匀速4590rpm，负载转矩在0-10s内均匀增加至24N.M，持续时间50s，然后在10s内匀减至0N.M（重度负载特性2）。

工况一仿真结果如图1所示。

工况二仿真结果如图2所示。

工况三仿真结果如图3所示。

4 试验结果对比

针对上述工况，针对某型伺服系统在测功机上进行了实际试验，试验过程中在IGBT下埋热电偶，记录热电偶起始时刻、60s、结束时刻温度并记录，与IGBT仿真结温对比见表1。

从仿真结果可以看出，前60s产品实际温度要低于仿真温度，原因在于IGBT核的温度要高于IGBT模块底部（热电偶位置）温度，在试验结束第70s，实际工况温度要高于仿真温度，原因在于实际试验过程没有加专门的散热器，前60s产生的热量没有及时散出去，与60s～70s时间端产生的热量在一起使得IGBT温度高于仿真温度。

5 总结

本文对大功率IGBT的热仿真进行了分析与仿真，并根据仿真工况进行了实际工况试验并进行了对比与试验结果分析，本文对大功率IGBT的工程应用具有重要指导意义。

参考文献

[1]汪波，罗毅飞，张烁，刘宾礼.IGBT极限功耗与热失效机理分析[J].电工技术学报，2016，31（12）：136-140.

[2]D.Srajber，W.Lukasch：Thecalculation of the power dissipationfor the IGBT and the inverse diode incircuits with the sinusoidal outputvoltage;electronica '92 Proceedings，pp.51-58.