大功率機電伺服IGBT熱仿真

徐志書 李光學 岳宗帥 李東東 武佳樂

摘要

本文針對大功率機電伺服應用的英飛凌絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）模塊，分析了IGBT熱功耗的數學模型，并結合仿真軟件針對機電伺服實際工況對工GBT的功耗進行了熱仿真，并對實際情況進行了試驗驗證。

【關鍵詞】大功率機電伺服 絕緣柵雙極性IGBT 熱仿真

1 引言

絕緣柵雙極性晶體管QGBT）是大功率機電伺服核心功率器件。自20世紀80年代出現以來，涵蓋了600～6500V的電壓范圍和1～3600A的電流范圍。隨著機電伺服功率等級越來越高，IGBT的工作電壓、電流也越來越大，對IGBT的熱分析也顯得越來越重要。本文對IGBT模塊的熱數學模型進行了分析，并以某項工程實際工況對IGBT進行了熱仿真分析，并通過實際試驗進行了IGBT溫度測量進行了試驗驗證。

2 IGBT模塊散熱計算方法

IGBT模塊總耗散功率為：

2.1 單IGBT核的導通與開關損耗單IGBT核的導通損耗為：

其中：

其中τ（t）為開關函數

由上述公式可得：

其中m為調制率。

單IGBT核的開關損耗為：

其中，V_dc為母線電壓波動值.

2.2 單diode cell的功耗計算

根據IGBT cell的推算過程，同理可推出Diode的

2.3 IGBT模塊引線電隊損耗

其中其中對于材料銅，α=3.58e-3k^-1（10）

3 IGBT模塊散熱仿真

針對某伺服控制驅動器所配套的30kw級機電伺服系統，其所用的功率IGBT為FS300R12OE4，根據被控電機的反電勢系數、轉矩系數可以推算處IGBT的電流、頻率等仿真信息，對以下三種情況分別進行了熱仿真，仿真工況及仿真結果分別如圖1、圖2、圖3所示：

（1）勻速1454rpm，負載轉矩在0-10S（s代表時間國際單位秒），內均勻增加至16N.M，持續時間50s，然后在10s內勻減至0N.M（輕度負載特性）。

（2）勻速2432rpm，負載轉矩在0-10S內均勻增加至28N.M，持續時間50s，然后在10s內勻減至0N.M（重度負載特性1）。

（3）勻速4590rpm，負載轉矩在0-10s內均勻增加至24N.M，持續時間50s，然后在10s內勻減至0N.M（重度負載特性2）。

工況一仿真結果如圖1所示。

工況二仿真結果如圖2所示。

工況三仿真結果如圖3所示。

4 試驗結果對比

針對上述工況，針對某型伺服系統在測功機上進行了實際試驗，試驗過程中在IGBT下埋熱電偶，記錄熱電偶起始時刻、60s、結束時刻溫度并記錄，與IGBT仿真結溫對比見表1。

從仿真結果可以看出，前60s產品實際溫度要低于仿真溫度，原因在于IGBT核的溫度要高于IGBT模塊底部（熱電偶位置）溫度，在試驗結束第70s，實際工況溫度要高于仿真溫度，原因在于實際試驗過程沒有加專門的散熱器，前60s產生的熱量沒有及時散出去，與60s～70s時間端產生的熱量在一起使得IGBT溫度高于仿真溫度。

5 總結

本文對大功率IGBT的熱仿真進行了分析與仿真，并根據仿真工況進行了實際工況試驗并進行了對比與試驗結果分析，本文對大功率IGBT的工程應用具有重要指導意義。

參考文獻

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