第３５卷第７期 机 电 工 程 Ｖ０１．３５ Ｎｏ．７ ２０１８年７月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｕ１．２０１８ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４５５１．２０１８．０７．０２１ 一种ＩＧＢＴ模块的新型建模与瞬态 仿真方法研究米 沈天浩 ，黄 瑞 ，杨 帆２，陈俊玄 ，冯 权 ，洪文华 ，俞小莉 （１．浙江大学能源工程学院，浙江杭州３１００００；２．上汽大众汽车有限公司，上海２０１８０５） 摘要：针对所采用的仿真方法无法全面评价ＩＧＢＴ模块可靠性的问题，提出了一种新型的ＩＧＢＴ模块仿真方法：对ＩＧＢＴ模块工作过 程中的瞬态损耗进行了分析和计算，并对ＩＧＢＴ模块进行三维建模与瞬态下流固耦合仿真。以ＦＳ８００Ｒ０７Ａ２Ｅ３为例，采用一维仿真 分析计算其瞬态损耗，并将瞬态损耗等效为半正弦波，作为一维边界条件加载至三维仿真模型；同时基于Ｓｔａｒ—ＣＣＭ＋软件，采用瞬 态仿真与流固耦合仿结合的方法，仿真得到了模块内部温度场分布云图和芯片最高结温波动数据，并采用英飞凌实验数据验 证了仿真模型的准确性。研究结果表明：模块内部三相的不均匀性在２￣Ｃ左右，瞬态仿真下的最高结温比稳态仿真下高７℃左右； 该仿真方法更加接近ＩＧＢＴ工作的实际情况。 关键词：电机控制器；ＩＧＢＴ；结温；瞬态；流固耦合 中图分类号：ＴＰ３９１；ＴＮ３２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—４５５１（２０１８）０７—０７６７—０６ Ｎｅｗ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＩＧＢＴ ＳＨＥＮ Ｔｉａｎ．ｈａｏ ，ＨＵＡＮＧ Ｒｕｉ ，ＹＡＮＧ Ｆａｎ ，ＣＨＥＮ Ｊｕｎ．ｘｕａｎ ， ＦＥＮＧ Ｑｕａｎ ，ＨＯＮＥ Ｗｅｎ．ｈｕａ ，ＹＵ Ｘｉａｏ．１ｉ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３ １００００，Ｃｈｉｎａ； ２．ＳＡＩＣ Ｖｏｌｋｓｗａｇｅｎ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｌａｃｋ ｏｆ ｏｖｅｒａｌｌ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｎ ＩＧＢＴ ｍｏｄｕｌｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ：Ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｌｏｓｓ ｏｆ ＩＧＢＴ ｍｏｄｕｌｅ ｉｎ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｕｉｄ－ｓｏｌｉｄ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ．１－Ｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕ。 ｌａｔｅ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｌｏｓｓ ｏｆ Ｉｎｆｉｎｅｏｎ ＦＳ８００Ｒ０７Ａ２Ｅ３ Ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｌｏｓｓ ｗａｓ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｔｏ ｈａｌｆ－ｓｉｎｅ ｗａｖｅ ａｎｄ ｌｏａｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ３－Ｄ ｍｏｄｅｌ ａｓ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｒｎａｓｉｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ３－Ｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ０ｎ Ｓｔａｒ—ＣＣＭ＋ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ．Ｉｎｆｉｎｅｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅ１． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ａ ｓｔｅｐ ｃｈａｎｇｅ ａｂｏｕｔ ２。Ｃ ｉｎ Ｕ／ ，Ｗ ｐｈａｓｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｍ￣ｉｍｕｍ ｌｕｎｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ａｂｏｕｔ ７ ｏＣ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ．Ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ＩＧＢＴ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＣＵ；ＩＧＢＴ；ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔ；ｆｌｕｉｄ—ｓｏｌｉｄ ｃｏｕｐｌｉｎｇ 合适的ＩＧＢＴ模块对电动汽车电控模块的设计至关 ０ 引 言 重要。 在电动汽车开发的前期，需要对电池、电机、电控 ＩＧＢＴ在工作过程中会产生损耗导致其温度升高。 进行选型与匹配。ＩＧＢＴ模块是电控的关键部件，选择 ＩＧＢＴ模块由封装好的ＩＧＢＴ芯片和ＦＷＤ（续流二极 收稿日期：２０１７一ｌｌ一２４ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１４７６１４３） 作者简介：沈天浩（１９９３一），男，江苏苏州人，硕士研究生，主要从事电动汽车及其热管理方面的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｈｅｎｔｉａｎｈａｏ１９９３＠１２６．ｃｏｒｎ 通信联系人：俞小莉，女，工学博士，教授。Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｕｘｌ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 机 电 管）芯片组成。结温是电子设备中半导体芯片ＰＮ结 的工作温度，当结温过高时会导致硅材料芯片性能降 低，乃至永久损坏。据统计，由温度过高引起的ＩＧＢＴ 失效占全部的５５％以上Ｈ Ｊ。电动汽车设计前期只能 采用仿真的方法对ＩＧＢＴ模块进行结温预测，分析不 同工况下的发热与模块结温是否符合要求。 通过仿真对ＩＧＢＴ模块的结温进行预测是国内外 研究的重点。姚芳 、宋飞 和陈彦 搭建了ＩＧＢＴ 模块的热电联合仿真模型，得到ＩＧＢＴ与ＦＷＤ的损耗 波形和结温波形，但其仅针对一维模型，未进行三维流 固耦合仿真，无法得到温度场分布；陈清 和王淑 旺 对某ＩＧＢＴ模块进行散热分析，得到其温度场和 流场分布，但其仅计算稳态工况，未计算瞬态结温。 ＩＧＢＴ模块工作时，其芯片发热会随时间作周期性 波动，芯片的结温也随之周期性变化。目前的ＩＧＢＴ 模块仿真方法包括一维和三维仿真，但无法同时得到 ＩＧＢＴ模块的结温分布云图和结温波动数据。 本文以型号为ＦＳ８００ＲＯ７Ａ２Ｅ３的Ｉｒ｛ ｉ；１ ６ ５ ４ ３ ２ １ Ｏ ９ ８ ７ ６ ５ ＧＢＴ模块为例，４ ３ ２ １ 提出一种新型ＩＧＢＴ模块仿真方法。Ｏ ０ Ｏ Ｏ Ｏ ０ ０ ０ Ｏ Ｏ ０ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ０ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ０ Ｏ Ｏ ０ Ｏ ０ ０ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ １ 损耗计算 ＩＧＢＴ模块在运行时会产生损耗，损耗主要包括 ＩＧＢＴ芯片和ＦＷＤ芯片的损耗，是ＩＧＢＴ模块中的 热源。 １．１损耗计算理论 三相桥式整流电路如图１所示。 图１三相桥式整流电路 每相包含两个ＩＧＢＴ芯片和两个反向并联的续流 二极管（ＦＷＤ），二者工作时经历周期性的开关状态并 产生损耗。 ＩＧＢＴ芯片的主要损耗是通态损耗 ７１和开关损 耗 ８ Ｊ，ＩＧＢＴ的通态损耗是由于其正向导通压降产生 的，其开关损耗是因为在开通和关断的瞬间，电流和电 压有重叠期；ＦＷＤ芯片的主要损耗是通态损耗和关断 损耗，ＦＷＤ的通态损耗也是由于其正向导通电压而产 生的，其开关损耗则是因为二极管的反向恢复特性。 目前，电动汽车大多采用ＳＶＰＷＭ（空间矢量）调 工 程 第３５卷 制方式，其损耗可以通过计算得到 。 ＩＧＢＴ输出特性如图２所示。 Ｉ ＿，＿一１‘ ｌ ｜ ， Ｉ ｜ 】 ｏ℃ｌ ｜ ｜ ， ｜。 ｜ ，／／ ／， ｜ ’ｆ ， ∥ Ｏ ０ ０ ２ ０ ４ ０ ６ ０ ８ １ ０ １ ２ １ ４ １ ６ １ ８ ２ ０ ２ ２ ２ ４ ２ ６ Ｖ 图２ ＩＧＢＴ输出特性 为了简化损耗的计算，ＩＧＢＴ的导通压降 与 ＦＷＤ的正向导通电压 与， 的关系可以近似用直线 表示： ＶｃＥ（ｔ）＝ＶｃＥ０＋ｒｃＥ：Ｉ：，ｃ（ｔ） （１） （ｔ）＝ ＋ ，ｃ（ｔ） （２） 式中： 。一ＩＧＢＴ门槛电压； 一ＦｗＤ门槛电压； ｒ 一ＩＧＢＴ通态等效电阻；ｒ 一ＦｗＤ通态等效电阻。 当采用传统７段ＳＶＰＷＭ调制时，ＩＧＴＢ芯片和 ＦＷＤ芯片的损耗通过计算获得。 （１）ＩＧＢＴ通态损耗。 当一詈≤ ≤詈时： 。 ＝ ＋÷ ＋扣 ，Ｎｃ ＋ ｆ＼ ４８，ｒｒ ，…’ （３） 当 ６≤ ≤詈或一号≤ ≤一詈时： 邶 ＝Ｖｃ瑚，Ｎ＋ ＋ ｃ。ｓ ＋ ｆ＼ ４８１Ｔ １，… 腑旺 （４） 式中： 一正弦波相电流幅值；Ｍ一调制比； 一电流 滞后电压角度。 （２）ＩＧＢＴ开关损耗。 Ｐｓｗｆ ｓｗ（ ＩＮ ＩＧＢＴ＝）× × … ＋ …（５） 式中 一开关频率；Ｅ……－－ＩＧＢＴ在标称电压 和 第７期 沈天浩，等：一种ＩＧＢＴ模块的新型建模与瞬态仿真方法研究 ·７６９· 电况Ｉｎ 卜测得的升迪损稳； ０仃… －－ＩＧＢＴ在标称电 １．２ Ｆｓ８０ｏ１ Ｄ７Ａ２Ｅ３模块损耗计算 １．２．１ 稳态损耗 压 。 和电流，ｎ。 下测得的关断损耗； 一直流 电压。 ＦＳ８００Ｒ０７Ａ２Ｅ３模块中ＩＧＢＴ芯片和ＦＷＤ芯片的 特征参数分别如表１、表２所示（特征参数测试条件为 ３００ Ｖ，５５０ Ａ，１２５ ｏＣ） 表１ ＦＳＳ００Ｒ０７Ａ２Ｅ３模块ＩＧＢＴ芯片特征参数 参数 ∞（３）ＦＷＤ通态损耗。 当一詈≤ ≤詈时： Ｐｃ０ 』ｗ。＝ ，Ｎ＋ １ ｒ 一÷ 。ｓ 一 １ ， ” 数值 Ｏ．８２ ９．８×１０一 ／Ｖ ｆ＼ ４８ 二蝤ａ＇ｒ （６）ｒＯＥ／１２ 当詈≤ ≤ ，ｆ或一号≤ ≤一詈时： Ｐ。 。＝ ，Ｎ＋ １ ｒＦ 一÷ ，Ｎｃ。ｓ 一 ｆ＼ 些 ４８叮『 １， 胁 一’ （７） （４）ＦＷＤ开关损耗。 Ｐ．ｗ ＶＷＤ＝ｆ ｓｗ …ｏｍ× × （８） 式中：Ｅ 。一 一ＦｗＤ在标称电压 。 和电流，Ｆ… 下测 得的反向恢复损耗。 由式（３～８）可得ＩＧＢＴ芯片和ＦＷＤ芯片在一个 相电流周期内的平均损耗，分别表示为： ＰＩＧＢＴ＝Ｐ。。 ＩＧＢＴ＋Ｐ ＩＧＢＴ （９） ＰＦｗＤ＝Ｐ 。 ＿ＦｗＤ＋Ｐ洲＿ＦｗＤ （１Ｏ） 上式计算的是ＩＧＢＴ模块工作时的平均损耗。三相 桥式逆变电路的基本工作方式是１８０。导电方式，即每 个桥臂的导电角度为１８０。，同一相（半桥）上下两个臂 交替导电，各相开始导电的角度依次相差１２０。。因此， 一个ＩＧＢＴ桥臂在一个周期内只有一半时间是导通的。 ＩＧＢＴ芯片与ＦＷＤ芯片的损耗是不规则的曲线， 可以将两者的损耗函数简化为理想的半正弦波曲线。 两者瞬态损耗的函数为： ｆ＂ｔｒＰＩＧＢＴｓｉｎ（ｔｏｔ）０＜￡＜÷ ＧＢＴ ｉ 。 … （１１） ｉ【ｆ ￣ｒＰｖ０ ｗＤｓ０ ＜ｉｎ（ａｒｔ一 ）一订）寺＜ ＜ 寺 ＜Ｔ （１２） 式中：Ｐ 。 （ｔ）－－ＩＧＢＴ芯片瞬态损耗；Ｐ ｗ。（ｔ）一ＦＷＤ 芯片瞬态损耗；卜相电流周期。 Ｅ。…。 ／ｍＪ １０．５ ０ｆｆ一／ｍＪ ２４．５ 表２ ＦＳ８００Ｒ０７Ａ２Ｅ３模块ＦＷＤ芯片特征参数 参数 数值 Ｉ／Ｖ １．０４ ｒｒ／Ｑ ５．５×１０一 一 ／ｍＪ １２．５ ＩＧＢＴ模块的部分工作参数如表３所示。 表３ ＦＳＳ００ＲＯＴＡ２Ｅ３模块工作参数 参数 数值 １ ＣＯＳ ０．８ Ｌｗ／ｋＨｚ ｌＯ ｆｏ／Ｈｚ ５０ 注： 一调制比； 一电流滞后角 一开关频率 一相电 流频率 不同直流电压 和相电流幅值，Ｎ工况下（工况１ 至工况３），ＩＧＢＴ芯片与ＦＷＤ芯片的平均损耗如表４ 所示。 表４ 不同工况下ＦＳ８００Ｒ０７Ａ２Ｅ３模块的损耗 由此可见：ＩＧＢＴ和ＦＷＤ的平均损耗均随 和， 的增大而增大。 １．２．２ 瞬态损耗 本研究取工况１至３中发热最大的工况３计算瞬 态损耗。根据一个周期内平均损耗功率相同的原理进 行等效，可知等效半正弦波的幅值为平均损耗的仃倍。 其他工况相同时，瞬态损耗的变化周期与相电流频率 有关。频率为５０ Ｈｚ时，瞬态损耗拟合式为： Ｐ 。 ｃｔ ＝１ ６９７·４ｓｉ ｎ 。。 ¨。．００ ’ １０２ （１３） 尸 。ｃ ：｛４７。．６ ｉｎ ００。竹 一订 。．０ ‘ ｌ０２ （１４） ＩＧＢＴ模块瞬态损耗ＩＨ１线如 ３所示 ３ ＩＧＢ…１模块ｔ瞬念捌牦曲线 ２ 维建模 在进行＿ｔ维建模前，埘 Ｂｒｒ模块的 维模型做 ｆ… 下假设：（１）心ｉｔ－片足一个均匀发热体，芯片ｒｆ１所 有层都是均匀的，无缺陷的；（２）芯片较薄，除ｒ芯片 截面法向外，其他表面均视为绝热；（３）忽略辐射和 空气对流换热；（４）冷却液为不ｉｌ『Ｊ匠缩流体且为湍流 流动 ２．１ 建模与网格划分 本研究以英 凌ＦＳ８ＯＯＲ０７Ａ２Ｅ３模块为例，建立 其 维模型。通过测量及卡¨父资料得到模块的尺寸信 息；采 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建 模块的一 维模型并进行一定 的简化，去除密封 槽，去除模块内部的连接线等刈‘散 热影响较小的结构；然后将Ｉ（；Ｂｑ 几何模型导入到 ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ Ｉ｝１进行网格划分，最小网格尺寸为０．１ １１１１１１ 维模 和网格如 ４所永． ．．一 【：１）ＪＬ１－ Ｊ懈’ Ｉｂ） 饼模型 ４ 蜒 凌ＦＳ８（Ｘ）Ｒ０７Ａ２ Ｅ３模块模 ２．２ 流固耦合计算模型 笔者采｝｛ｊ Ｓｔａｒ—ＣＣＭ＋软件埘ＩＧＢｑ、模块进行瞬 态 维流同耦合仿真，汁箅 不 ＿ｌ厂况、一定冷却条件 下的结温分布和波动． ．计算模型巾的冷却液为 缩流体，满足质量 守 陋、动量守恒、能量守 程，即： 塑＋ （ ）＝０３ ｔ 、 （１５） 丛 ＝，） — ，Ｊ＋ △ （１６） 第３５巷 ： ＋Ａ△７’＋Ｐｇ （１７） 『ｆＩ：ｐ～流体的密度；￡，一速度矢量；，，一流体ｆ 力； 流体的动力 ： 度 一流体的比热容；Ａ一导热 系数；Ｆ～作川 流体Ｉ 的质量力；（『一流体所吸收的 热 ；卜流体或『ＩＨ体温度； 一能量耗散闲数 冷却液 ｆ 机 制 中的流动为湍流，采川基１ 雷诺时均法的数仳汁锋力‘法，引入湍流模型，计算巾采 Ｊ＿Ｉｊ 一 ；流模 ，即： 苦（ ）＋未（ ，Ｊ）＝毒［（ ＋ ｏ＇￣／１３丛：ｒｉ］＋ ＋ —ｐ占 （１ ８） ｐ ＝未［（ ＋（ｒ ］１３熊ｘ］＋Ｃ ｝（Ｇ ＋Ｇ！ Ｇ ）一ｃ （１９） 式小：ＩＩｉ一￡／ 力州㈨，Ｊ速度分量； 一湍动能； 一耗 散牢； ，一湍流 ；Ｇ 一ｍ浮生力产生的湍流动能； Ｇ 一平均速度悌度ｆ』Ｊ起的湍动能 的产生项；ｏｒ 、 一 湍流普朗特数；Ｃ ，Ｃ、 一经验常数 Ｓｔｍ’一ＣＣＭ＋软件ｒｆ１，流体域采川 一 湍流模 ，边 层没 为２ Ｊ ２．３物性参数设置 小研究，将ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ巾的面网 导人到Ｓｔａｒ— ＣＣＭ＋ ，没 卡ｆ１ 材料的物性参数。物性参数设 的对象包括１人】邴芯片、外壳材料、导热基板、冷却液等， 物性参数包括材料的密度、导热系数、比热容等 ．『Ｉｉ于 １ＧＢＴ芯片的多层结构，网格密度无法细小至此，笔者 采川复合导热系数的¨‘ 方法对其进行折算“ 芯片材料为 ，屣板材料为铜，外壳材料为ｒ程塑 料，冷却液为５０％水 Ｉｊ ５０％乙二醇的混合物 ２．４边界条件设置 ＦＳ８ＯＯＲ０７Ａ２Ｅ３卡Ｉ！块为 相全桥整流，每个仑桥 南两个半轿绀成，·１＼、 桥Ｆ｝１ ４个ＩＧＢＴ芯片和Ｉ ４个 ＦＷＤ 片组成 桥内部的实际结构和简化 维模 型如 ５所示． ．（ ｌ】 ＩＩ，Ｊｉ结 ｛ｂ）简化模型 ５ 蜒 凌ＦＳ８００Ｒ０７Ａ２Ｅ３模块 卜｝乔 本研究将Ｊ 述ＩＧＢＴ和ＦＷＤ芯片的发热模型作 第７期 沈天浩，等：一种ＩＧＢｒｒ模块的新型建模与瞬态仿真方法研究 为边 条件，ＪＪ【１载至 维模型，稳态加载为常数，瞬态 加载为时间的函数 电机控制器的入口温度一般要控制在６５ 以下， 本文计算最恶劣１＿况，即冷却液入ｕ温度为６５ ｃｃ，流 量为ｌ０ Ｌ／ｌ１１ｉＩＩ． ３ 仿真结果 ３．１稳态仿真结果 本研究将ｆ：述稳态Ｔ况的发热功率设定为边界条 件，对其进行仿真 在迭代５００步以后仿真收敛，得到 ＩＧＢＴ模块的温度分布云冈 ：流同耦合计算得到的温 度分布如 ６所示 ， ｌｅ｜ｌＩｎ。ｒ“Ｉ１ ℃ ６８‘）７４ ７９ ５ ７７ ｑ０ ｌ ８ｌ ｌ【】（Ｊ ７８ ■■翻ｉ ｌ 。罔６稳态仿真温度分布云 【殳Ｉ ６ ｒｆｌ，左侧为冷却液入口，右侧为 ［］ 定义冷 却液人Ｅｊ到 ｛【＿１分别为Ｕ／ＷＷ相，Ｕ／Ｉ，ＶＷ三相的最 高温度存在温差，稳态下最高温度出现在 相的ｌＧ— ＢＴ芯片，最高结温约为１２２ ｏＣ 各相芯片的最高温度如表５所示 表５各相芯片最高温度 位 最高结温／￣Ｃ ￡卡ｆ１ １ １７．３７ Ｉ 扎ｌ ｌ ｌ９．３９ 卡日 ｌ２１．９９ 相温度的不均匀性在２ 左存，分析其原凶可 能为￡，相靠近冷却液入口，冷却液温度较低，Ｉ大１ 带 走热量较多 ３．２实验结果及分析 通过奁阅数据表ｒ叮以获得不同冷却液流速下的热 阻，结合冷却液温度和散热功率，可以汁算模块的最高 结温一仿真数据与实验数据对比如表６所示 表６三维仿真模型验证 序号英飞凌试验最高结温／ ： 维仿真最高结温／℃误差／％ 表６中，本文三维仿真模型得到的稳态仿真结果 与厂家实验数据之间的误差在２％以内，验证了三维 模型的正确性。 ３．３瞬态仿真结果 在稳态计算中， 相远离冷却液入口，温度最高， 本文仅计算 相最高结温波动。将上述瞬态损耗公 式加载至 相，￡／相和 相的损耗仍采用稳态损耗加 载。瞬态时间步设置为０．００１ Ｓ，每个时问步包含５０ 步迭代步数。由于从冷起动开始计算需要消耗大量计 算资源和时问，冈此将初始条件设置为稳态计算的 结果， ｒ｝１于瞬态热源的周期性波动， 相ＩＧＢＴ芯片和 ＦＷＤ 片的温度也周期性波动。瞬态结温波动数据 如 ７所示。 播 饱 啦 ，，Ｓ ７ 相芯片结温波动 ７中，相电流频率为５０ Ｈｚ时，热源的周期为 ０．０２ Ｓ，结温波动的周期也为０．０２ Ｓ。在前三分之一 周期内ＩＧＢＴ芯片温度上升，后 分之二周期内温度 下降，最高结温大约ｆ【ｌ现在周期的ｊ分之一处。ＩＧＢＴ 芯片的最高结温达到１２９ ｏＣ左右。 由于同一相中ＩＧＢＴ芯片温度高于ＦＷＤ芯片，本 研究考察不同频率下ＩＧＢＴ 片的结温波动 不同相 电流频率下ＩＧＢＴ芯片结温变化如图８所示。 Ｉ／Ｓ ８ 不同相电流频率下结温波动 ·７７２· 机 电 工 程 ｅｌｅｃｔｒｏｎｉＣＳ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０００，３１（９）：７８１－７８５． 第３５卷 图８中，相电流频率越高，最高结温越低。可以解 释为：在芯片发热的一个周期内，前部分周期芯片发 热，冷却液带走的热量比发热少，导致结温升高；后部 分周期内芯片不发热，冷却液持续带走热量，导致结温 降低。 ［２］ 姚芳，王少杰，李志刚．逆变器中ＩＧＢＴ功率模块的电热 联合仿真模型［Ｊ］．半导体技术，２０１６，４１（６）：４４０４４５， ４７２． ［３］宋［４］陈飞，梁哲兴，张彦，许伟．ＩＧＢＴ器件稳态及瞬态热模型仿 真分析［Ｊ］．船电技术，２０１３，３３（３）：１０—１３． 鹏，李世乎．基于Ｍａｔｌａｂ的ＩＧＢＴ能耗模型 及其在热仿真中的应用［Ｊ］．大功率变流技术，２０１４（５）： ３３．３５． ４ 结束语 本文以英飞凌ＦＳ８ＯＯＲ０７Ａ２Ｅ３模块为例，提出了 一种新型的ＩＧＢＴ模块的仿真方法，得到以下结论： ［５］ 陈清．电动汽车用ＩＧＢＴ模块液冷散热及封装可靠性 （１）ＩＧＢＴ模块内部三相芯片的最高结温存在２￣Ｃ 左右温差，一维瞬态计算无法模拟三相间温差与温度 分布云图； （２）ＩＧＢＴ模块进行选型时，仅采用稳态仿真是不 够的，其结温波动需要通过瞬态仿真得到； （３）ＩＧＢＴ的实际结温存在周期性波动，并且与相 电流的频率相关。在电机控制器设计阶段，可以考虑 研究［Ｄ］．重庆：重庆大学汽车工程学院，２０１６． ［６］ 王淑旺，赵卫健，唐志国，等．纯电动汽车水冷电机控制器 的热仿真和热分析［Ｊ］．微特电机，２０１３，４１（９）：１１ １３． ［７］ 白保东，陈德志，王鑫博．逆变器ＩＧＢＴ损耗计算及冷却装 置设计［Ｊ］．电工技术学报，２０１３，２８（８）：９７—１０６． ［８］李志刚，梅［９］焦明亮，李霜，王少杰，等．ＩＧＢＴ模块开关损耗计算方 云，吴春冬，等．一种电动汽车逆变器ＩＧＢＴ 法综述［Ｊ］．电子技术应用，２０１６，４２（１）：１０—１４，１８． 功率损耗和结温的近似计算方法［Ｊ］．大功率变流技术， ２０１５（５）：５８－６３． 采用提高频率的方法以降低ＩＧＢＴ模块的最高结温； （４）采用瞬态仿真和流固耦合结合的方法，既能 仿真得到结温分布云图，也可以获得结温波动数据。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ［１］ ＪＡＮＩＣＫＩ Ｍ，ＮＡＰＩＥＲＡＬＳＫＩ Ａ．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｃｏｏｌｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｍｏｄｅｌ『Ｊ］．Ｍｉｃｒｏ． ［１Ｏ］朱元，李根生，吴志红，等．两种控制策略下电动汽车 逆变器功率损耗的近似计算［Ｊ］．汽车安全与节能学报， ２０１３，４（１）：８７—９２． ［１１］ 张波．多层薄板的导热系数［Ｊ］．大连轻］二业学院学 报，１９９４，１３（１）：１２１ １２４． ［编辑：张豪］ 本文引用格式： 沈天浩，黄瑞，杨帆，等．一种ＩＧＢＴ模块的新型建模与瞬态仿真方法研究［Ｊ］．机电工程，２０１８，３５（７）：７６７—７７２． ＳＨＥＮ Ｔｉａｎ。ｈａｏ，ＨＵＡＮＧ Ｒｕｉ，ＹＡＮＧ Ｆａｎ，ｅｔ ａ１．Ｎｅｗ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＩＧＢＴ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．２０１８， ３５（７）：７６７—７７２ｔ 《机电工程》杂志：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｃｍ ｃＩ１ｍ．（：ｎ
