變頻空調IPM 模塊功率測試與技術研究報告分析

陳 斐

（廣東美的制冷設備有限公司 佛山 528311）

前言

IPM 模塊的可靠性與結溫密切相關，在正常的工作狀態下，IPM 模塊的平均結溫值（亦即IGBT 結溫）不能超過125 ℃。在瞬態情況下，IPM 結溫的峰值不能超過150 ℃。目前我們企業標準中關于IPM 模塊溫升標準的評判依據是散熱器表面螺釘的溫度不超過80 ℃。這種判斷方法不便于對于不同的模塊（功率，熱阻不相同）進行統一的評價，因為結溫Tj 和殼溫Tc，IGBT 功率PD和其結殼熱阻Rjc 的關系為Tj=Tc + PD*Rjc。和殼溫相比，IPM 模塊的結溫更高。

在本報告中，通過對IPM 的功率PD 和輸出電流的關系進行測試分析，則可以對不同的模塊進行評估，并且可以獲取IPM 模塊安全工作的殼溫和電流的范圍，為IPM 可靠性的分析提供一個理論基礎[1-3]。

1 實驗部分

1.1 技術背景

IPM 模塊的平均結溫值高低對空調的使用壽命和安全性有著重要的影響，但是現有的測試方法無法準確進行測定，主要原因為[4]：

1）目前的企業標準中關于IPM 模塊的發熱試驗主要有最大頻率運行發熱和最高室外環境溫度運行發熱。空調連續穩定運行后，待各測試溫度點穩定后，記錄各溫度值。對于IPM模塊，測量模塊附近散熱器表面的溫度（殼溫），要求溫度不超過80 ℃。

2）由于IPM 模塊內部的IGBT 在工作時會產生功率，因此IGBT 的結溫相對于殼溫有一定的溫升，不同廠家的IPM 模塊的功率和熱阻不同，因此目前的測試方法無法對不同的IPM 模塊進行統一的比較。

3）直接測量IPM 模塊內部的結溫需要復雜的設備或者特殊準備的樣品（內部預埋有熱電偶的IPM 樣品）。結合目前的實際情況，我們采用測量IPM 功率的方法來間接的測量IPM 的結溫。

1.2 測試方案

為準確測量IPM 的結溫，設計了以下的測試方案：

1）功率測試采用橫河WT1600 功率計，通過測量逆變器直流側的輸入功率Pin 和三相交流側的輸出功率Pout，計算IPM 模塊的功耗（PD=Pin-Pout），測試儀器設備見圖1 和圖2。

圖1 橫河WT1600 功率計

圖2 橫河WT1600 功率計數據截圖

2）通過分析IPM 的功耗PD 與輸出電流Iout 的關系，對比三洋、三墾、三菱IPM 模塊的功耗的大小和散熱性能的好壞。

3）通過IPM 的功耗PD 與熱阻Rjc 計算IPM 模塊的結溫升，給出不同輸出電流下的結溫數值，并對比不同IPM 模塊的結溫升。

4）通過分析IPM 模塊的殼溫Tc 和IPM 的功耗PD之間的關系，可以分析不同電控方案散熱器的散熱性能，進而為散熱性能的分析提供依據。

2 結果與討論

2.1 測試數據

表1 給出了三洋模塊STK621-033 的測試結果，在不同的壓縮機頻率下，IPM 模塊的殼溫，輸入功率，輸出功率，輸出總均方根電流，輸出總均方根電壓均可以直接讀出。類似的，可以對三洋新產品STK551U3A2C，三墾SCM1243，三菱PS219A4 模塊進行測試，見表2。

表1 測試結果

表2 不同IPM 模塊的功率和結到殼溫升隨輸出電流的變化表格

2.2 結果分析

在本方案中，我們對目前海外電控采用的所有15 A模塊：三洋STK621-033，三洋新產品STK551U3A2C，三墾SCM1243，三菱PS219A4 模塊進行了功率測試。

IPM 模塊的功率和輸出電流的關系，可以采用二次函數（常數項為0，P=A*I2+B*I）擬合，所有模塊擬合的相關性都較好，R2系數在0.99 左右。測試數據和擬合的曲線見圖3 所示。

圖3 測試數據和擬合的曲線

根據圖3 的結果，在相同的輸出電流下，IPM 模塊功率從大到小依次是：三洋STK621-033，三墾SCM1243，三洋新產品STK551U3A2C，三菱PS219A4。三菱模塊功率最小。在輸出電流均方根值為4 A 時，三洋STK621-033 功率（29.85 W）比三菱PS219A4 功率（20.75 W）大50 %。

按照產品手冊上給出的熱阻（STK621-033：IGBT 5.0 k/W；STK551U3A2C：IGBT 3.5 K/W；PS219A4：IGBT 3.1 K/W； SCM1243：3.0 K/W），計算出的結到殼溫升（Tj-Tc=Pd*Rth）如表2 和圖4 所示。計算中忽略FRD 的功率，IPM 的功率為6 個IGBT 之和。在相同的輸出電流下，IPM 結到殼溫升從大到小依次是：三洋STK621-033，三洋新產品STK551U3A2C，三墾SCM1243，三菱PS219A4。三菱PS219A4 模塊的結到殼溫升最小，因此其可靠性最高。

圖4 結到殼溫升

相同溫升下的輸出電流對比。按照企標標準，取殼溫Tc 為最大值80 ℃，結溫的降額因子取0.80（結溫為125*0.80=100 ℃）。三洋STK621-033，三洋新產品STK551U3A2C，三墾SCM1243，三菱PS219A4 模塊的最大輸出電流分別為3.5 A，5.2 A，6.0 A，6.0 A。顯然三菱和三墾模塊的輸出電流更大。三墾模塊的缺點是低電流下的結殼溫升較高。

殼溫Tc 和IPM 功率PD 的關系，可以表示為：Tc=PD*Rhs + Tx。其中Rhs 為散熱器的熱阻，Tx 為散熱器附近空氣邊界層的溫度[5-7]。殼溫Tc 和IPM 功率PD的曲線如圖5 所示，該曲線可以采用線性擬合，擬合的斜率為散熱器的熱阻數值。

圖5 殼溫Tc 和IPM 功率PD 的曲線

散熱器的熱阻數值越小，散熱能力越好。三菱、三墾、三洋電控盒的結構分別如圖6、圖7 和圖8 所示。根據圖5 的擬合分析，三菱電控盒結構的散熱器熱阻最小，散熱性能較好；而三墾和三洋電控盒結構熱阻相對較大，散熱性能一般。

圖6 三菱電控盒的結構圖

圖7 三墾電控盒的結構圖

圖8 三洋電控盒的結構圖

3 結論

本文通過對IPM 的功率PD 和輸出電流的關系進行測試分析，則可以對不同的模塊進行評估，并且可以獲取IPM 模塊安全工作的殼溫和電流的范圍，為IPM 可靠性的分析提供一個理論基礎。采用此方法，對IPM 模塊功率和結溫的評估更加標準。建議后續作為新IPM 模塊引入標準和新電控開發的可靠性評估標準，進行標準化的測試和評估。