高空飛行器供油驅動系統(tǒng)IGBT模塊結溫特性研究

摘 要： 對高空飛行器供油驅動系統(tǒng)在特定負載狀態(tài)下的IGBT模塊結溫特性進行研究。高空飛行器對供油驅動系統(tǒng)的高功率密度要求高及環(huán)境散熱條件差的狀況，使得其關鍵部件IGBT模塊在功率裕量與結溫控制方面更為嚴格。根據負載特性精確計算結溫，對于在特定散熱條件下系統(tǒng)的可靠運行非常重要。運用非穩(wěn)態(tài)導熱的Foster集總參數法，分析IGBT模塊點熱源特性及其他熱源對計算影響，建立一種含校正系數的熱網絡模型，并在短時脈沖過載及輸出低頻兩種特有狀態(tài)下，對IGBT模塊的結溫特性進行分析。通過對高空飛行器飛行過程中IGBT模塊結溫特性的計算，結合仿真軟件Semisel的對比分析，驗證了建模和分析本文所提方法的有效性。

關鍵詞： IGBT； 短時脈沖過載； 輸出低頻； 結溫特性

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）01?0123?04

0 引 言

高空飛行器在臨近空間快速飛行時發(fā)熱大、散熱差，其驅動系統(tǒng)熱負荷壓力大，而且由于內部留給供油驅動系統(tǒng)的空間狹小，迫使系統(tǒng)中IGBT模塊的功率密度越來越高，導致模塊承受很高的熱應力，最高結溫可能達到極限值。這直接影響IGBT模塊的壽命及系統(tǒng)可靠性。文獻[1]指出近60%的器件失效由溫度升高引起，在正常工作溫度范圍內，溫度每上升10 ℃，器件失效概率以近2倍的速率上升。

相關文獻對IGBT結溫進行了研究，文獻[2]對在脈沖工作方式下，IGBT結溫進行了相關研究；文獻[3]對變頻器穩(wěn)定運行時，其IGBT模塊的平均結溫進行了計算，這種方法對于功率密度較低、穩(wěn)定運行的場合有著普遍的參考意義。與之不同的是，對于高空飛行器在其發(fā)射和飛行過程中，供油驅動系統(tǒng)會工作在短時脈沖過載及輸出低頻特有運行狀態(tài)，此時系統(tǒng)中IGBT模塊的最大結溫在短時間內上升很大，結溫波動范圍變化劇烈，導致IGBT性能衰減甚至損壞，這種情況下不宜采用結溫平均計算法。因此，本文對高空飛行器整個飛行過程中，供油驅動系統(tǒng)IGBT模塊結溫特性尤其是在短時脈沖過載、輸出低頻兩種特殊運行狀態(tài)下模塊的結溫特性進行了深入研究。

1 驅動系統(tǒng)工作特性分析

高空飛行器供油驅動系統(tǒng)工作特性如圖1所示。