电动汽车电机控制器功率器件热管理技术

引言

随着新能源汽车的发展，高性能的电动汽车在市场上有较好的需求，特斯拉的Model3电机功率达到220kW，蔚来的ES6电机功率达到160kW。

为了满足对大功率电机的高性能控制，需要不断地提升电驱系统的功率密度。在电机控制器方面，当前国外电机控制器主流的封装形式是采用IGBT芯片双面焊接和系统级封装。电装、博世、大陆等公司的电机控制器功率密度已达到16－25kW/L。随着技术的进一步发展，在2025年电机控制器的功率密度会进一步提升，预计乘用车的电机控制器功率密度可以达到30－40kW/L;在电机方面，近年来随着Hair-Pin高密度绕组技术的应用，大幅度降低了绕组发热，提升了转矩、功率密度以及效率，例如荣威MarvelX就采用了华域电动自主研发的Hair-Pin绕组结构的高速驱动电机，功率密度达到3.8－4.6kW/L。电机控制器和电机的功率密度提升，意味着单位时间内积累的热能会更多，为了满足车辆大功率的使用场景，对电驱动系统的热量管理提出了更加严格的要求。

IGBT是电机控制器最为关键的功率器件，为了提高电驱系统的可靠性和性能，需要获得IGBT的温升情况并主动进行热管理。文献通过改变IGBT开关频率、调整调制模式等方法降低开关损耗，来降低结温波动，但没有考虑电频率对结温的影响。文献提出基于频段导向的功率器件热管理控制技术，在不同频率内采用不同的热管理策略，但是这种方法没有考虑实际的整车运行工况。文献提出适用于电动汽车的IGBT热管理策略，但仅考虑了电流限制的方法，而没有考虑开关频率等因素的影响。

本文在上述研究的基础上，提出了一种适用于电动汽车电机控制器功率器件的热管理技术，既可以满足整车的最大功率输出，又可以有效地保护功率器件的安全。

 电机控制器组成

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电机控制器主要包含控制板、驱动板、接插件、壳体和冷却管道等几个部分，发热较大的关键器件为功率器件IGBT、电容和直流母排等，其中最为关键的器件是IGBT。图1为上汽某项目的电机控制器爆炸图。

图1上汽某项目电机控制器爆炸图

表1是在保持电压等级、电机油温、入水口温度和冷却水流量一致的情况下，且逆变器相同工作点在不同环境温度下的温度测试结果。表2是在同样的环境温度、电压、油温和冷却水流量的情况下，且逆变器各部件在不同入水口温度条件下的测试结果。从表1和表2的测试结果可以看出，在各个测试点中，IGBT最高结温的温升最大，是影响电机控制器工作能力的最重要因素，因此有必要开发一种合理高效的IGBT热管理应用技术，对IGBT进行热保护。

表1上汽某项目系统不同环温热测试结果

表2 上汽某项目系统不同入水口温度热测试结果

 IGBT热管理技术

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目前，主流电机控制器的功率器件采用英飞凌HPD模块，它并未集成IGBT结温传感器，因此需要开发准确的结温估算算法，即通过对IGBT的传热路径和散热条件进行数学建模，完成热阻－热容的热网络搭建，通过计算IGBT的实时损耗，并输入到热网络模型中，得到IGBT结温的实时值后，再采取热管理策略进行热保护。

图2为IGBT物理层的结构图，从图中可以看出，IGBT由基板层、系统焊接层、铜片、陶瓷层、芯片焊接层及芯片组成，为多层结构，其热量传输路径比较复杂。

图2 IGBT物理层结构图

2.1 功率器件损耗计算

功率器件的损耗分为两大类:开关损耗和导通损耗。对于开关损耗，由于含有IGBT和二极管两种器件，可分为IGBT开通损耗Eon、IGBT关断损耗Eoff和二极管的反向恢复损耗Erec。

2.1.1 IGBT开关损耗测试及拟合

一般地，IGBT模块开关损耗结果主要通过IGBT双脉冲测试获得，对于IGBT开关损耗主要关注Eon和Eoff，对于二极管开关损耗主要关注Erec，双脉冲测试设置方式如图3所示。

图3 IGBT下桥开关损耗测试设置示意图

在图3中，下桥IGBT作为被测对象，用高压隔离探头取Vce电压、用罗氏线圈取Ic电流、用高压隔离探头测量Vge信号以及用普通探头测量PWM信号，同时对上桥IGBT的门极施加负压，使上桥IGBT保持关断状态，仅使其续流二极管起作用。T1为双脉冲第一个开通时段，T3为双脉冲第二个开通时段。在驱动参数确定后，开关测试的数据Eon、Eoff、Erec与母线电压、电流和结温都相关，因此开关损耗需要根据此3个维度的不同组合来获得。

通过图4可以看出，在一定结温和电压下，开通损耗Eon和关断损耗Eoff与电流基本呈线性关系，因此可以采用一次或二次线性多项式对其进行拟合。根据双脉冲在不同温度和不同电流下测到的开关损耗数据绘制Eon、Eoff与母线电压Udc之间的关系图并进行拟合，在Eon、Eoff与电流呈线性关系的基础上，IGBT开关损耗表达式为

Ex_IGBT(U，Tj，I)=(a0+b0×U+c0×U2)×(a1+b1×I+c1×I2)

式中:U为逆变器母线电压值;Tj为IGBT结温;I为集电极电流。a0、b0与Tj的关系如式(2)和式(3)所示，呈一次线性关系，而c0设为定值，此处c0取最高结温下的值:

a0=a2+b2×Tj

b0=a3+b3×Tj

图4 IGBT不同工况下的损耗测试结果

通过大量的试验数据，可以拟合出比较准确的参数，进而用于计算各种不同工况下的开关损耗。

2.1.2 二极管反向恢复损耗

二极管的反向恢复损耗Erec与电流I呈非线性关系，同时需要兼顾在各个温度和电压下的关系，Erec与流过二极管的电流IF、母线电压U及二极管结温Tj的关系如式(4)所示，拟合的步骤同IGBT开关损耗。

Ex_Diode(U，Tj，IF)=(a0+b0×U+c0×U2)×(a1+b1×IF+c1×IF2)

2.1.3 导通损耗

IGBT/二极管的导通和前向压降主要与瞬时电流和结温相关，其关系需要利用定制的仪器进行测试，因此通常通过供应商获得IGBT/二极管的导通和前向压降与瞬时电流和结温的关系曲线及数据。

2.2 热阻网络模型计算

目前，行业内主要有两种方法来进行热网络模型的建立。一种是基于物理模型———Cauer模型，每一组热阻热容都对应到实际物理模型的热阻热容参数。如图5所示，该模型比较容易理解，每一层散热材料都可以用相应的热阻热容来表示。但是Cauer模型有一定的缺陷，热容参数都是相对于GND的参考点，一旦该参考点变化，比如参考点IGBT基板DCB温度变为IGBT散热器温度，则需要重新评估和测量热容参数。

图5 Cauer模型示意图

第二种是局部网络热路模型———Foster模型。如图6所示，Foster模型不同于Cauer模型，ＲC节点不再与导热材料一一对应，网络节点没有任何物理意义，只需要结温和传感器测量点之间的温差就足够了。

图6 Foster模型示意图

2.3 结温估算算法开发及闭环测试

本文采用Foster模型，基于精确拟合的损耗参数和Foster热阻参数，按照上述方法通过软件实时计算IGBT和二极管的热点温度。结温估算原理框图如图7所示，首先通过精确IGBT损耗实时计算模块得到IGBT和二极管的损耗，将其代入到冷却液水温计算模块，获得冷却液的温度。最后，热点温度计算模块根据IGBT损耗、二极管损耗和冷却液温度得到IGBT和二极管的最高温度，并取两者的最大值作为功率器件的最高热点温度TjIGBT。

图7 结温估算原理框图

英飞凌公司提供了用于算法验证的黑模块，如图8所示。这种方法属于破坏性测量方法，需要将IGBT模块打开，除去透明硅脂，然后将待测器件的芯片表面涂黑，通过红外热成像仪来进行测试。表面涂黑处理可以提高温度测量的准确性，便于算法的精确标定及验证。

图8 用于闭环验证的IGBT模块

如图9－11所示，与实际温度相比，IGBT和二极管估算的温度精度都在(－5，0)℃以内。而实际应用中需要通过标定的修正系数将温度估算偏差补偿到(0，+5)℃，使得IGBT在应用过程中有一个较好的温度余量，避免因过温而影响IGBT寿命。

图9 低频(10Hz)下IGBT和二极管估算温度与实测温度

图10 中频(100Hz)IGBT和二极管估算温度与实测温度

图11 高频(800Hz)IGBT和二极管估算温度与实测温度

2.4 IGBT热管理策略

从控制方面看，影响结温的主要因素包含以下几个方面:

(1)开关频率对结温的影响及控制方法。随着开关频率的增大，IGBT的最大结温和结温变化值都近似于线性增加。若能够在一定范围内对开关频率进行调整，可以对结温进行有效控制;

(2)电流对结温的影响及控制方法。电流越大，导通损耗和开关损耗均会变大，IGBT的最大结温也随之增大。可根据估算结温对电流幅值进行限制;

(3)不同输出频率下的温度性能分析。输出频率对损耗和结温都会产生较大的影响。输出频率对结温波动的影响较大，尤其在低频时，效果更加明显。当器件长期工作在较低的输出频率时，

在产生损耗的正周期阶段，器件会一直处于升温状态，连续工作时间越长，器件温度的上升幅度越大，在经过足够长的时间后，器件容易发生热击穿;当输出频率较大时，器件己经恢复到正常的工作循环模式，输出周期时间短，因此器件升温和降温的时间也较为短暂，不会对器件造成过多的热冲击。

本文综合考虑以上几个因素，设计了IGBT的热管理策略，如图12所示。在实际应用中，当结温过高时，首先根据转速和扭矩命令获得最低的开关频率，在最低开关频率以上，优先通过降低开关频率来降低开关损耗，缓解逆变器的热冲击，保证系统输出大电流，而不影响输出扭矩。当在最低开关频率无法满足功率输出时，可以通过降低扭矩命令来降低输出电流，可有效降低导通损耗，从而降低结温，保护功率器件的安全。

图13为电机转速为15r/min、冷却液温度为65℃下的热管理策略测试结果:当结温TjIGBT接近125℃时，为了保持250N·m的扭矩输出，开关频率首先开始下降，当频率下降到6kHz的最低开关频率时，因开关频率无法再下降，需要降低扭矩来维持结温的上限，最终扭矩命令下降到210N·m附近上下波动，在结温不过温和最低的开关频率下实现了最大的能力输出。

图12 GBT热管理策略框图

图13 IGBT热管理策略测试结果

 结语

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本文阐述了电机控制器里最核心的功率器件IGBT的热管理技术，开发了一套可以产品化的结温估算开发方法，经过实际的测试，验证了其具备较好的性能指标，为IGBT在新能源汽车上的高性能应用提供了依据，确保了新能源汽车核心零部件电机控制器的稳定性和可靠性。结合IGBT热管理应用策略，在大功率运行环境下可以优先进行降频控制，既可保证电驱系统的大功率输出，又可保护功率器件的安全。

作者：王东萃 崔宇航 张晓春