CN109444705B - 一种汽车级igbt多结温差控制的功率循环实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置,包括作为控制和待测模块的多个IGBT模块单元、用于组成测试回路的主电路***、用于结温计算的小电流测试***、包含多个独立工位的水冷散热***、用于设置IGBT驱动及水冷散热***通断的控制***、用于监测电参数和热参数的数据采集***。主电路***采用特定的串并联电路,将待测IGBT模块进行连接。使同一主电路中多个待测IGBT模块的负载电流不同。数据采集***自动采集小电流下待测IGBT模块的集射极电压Vce,并将其带入结温计算公式实时计算结温Tj。此实验装置在一次功率循环实验中同时对多个IGBT模块进行不同结温差的功率循环实验。满足了实验的多样性,提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率循环实验装置,属于实验装置领域,特别涉及一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是能源转换与传输的核心器件,广泛应用于航空航天、风力发电、轨道交通、电动汽车等领域。在实际应用中,IGBT模块功率变化,引发功率损耗实时变化,致使模块的结温持续大范围波动。随着输出功率进一步提升,IGBT模块会出现严重的过热问题,IGBT模块可靠性降低,发生老化失效,最终导致整个功率转换***的失效。因此,IGBT模块的可靠性分析对于大功率变流装置的可靠运行至关重要。
分析IGBT模块的可靠性,需要对IGBT模块进行加速老化实验,以便在较短的时间内获得较多的样本数据。功率循环实验是目前常采用的加速老化实验。进行功率循环实验时,现有的实验方法一次只能对IGBT模块进行一种实验条件的功率循环实验。如需进行多种不同条件的功率循环实验,则需要依据实验条件,进行多次实验,实验效率较低。
因此,需要提出一种新的功率循环实验装置,能够同时对多个IGBT模块进行功率循环实验。并且多个模块的电流,结温等实验条件不同,便于多个模块进行组间对比,此方法大大缩减了实验时间,提高了实验效率。
发明内容
鉴于此,本发明提供一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置,能够同时对多个IGBT模块进行不同结温差的功率循环实验,不仅提高了工作效率,而且实验条件更加多样化。
本发明提供一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置,该装置包括:IGBT模块、主电路***、小电流测试***、水冷散热***、控制***、数据采集***。IGBT模块置于水冷散热***上,分别将主电路***和小电流测试***与IGBT模块进行连接。控制***对IGBT1模块的栅极,以及水冷散热***的电磁阀进行控制。数据采集***实时的监测主电路的电流Ic、待测IGBT模块集射极电压Vce、待测IGBT模块壳温Tc数据。并且将测试电流下的Vce数据,自动带入K曲线,实时计算IGBT模块的结温Tj。
所述的IGBT模块,如图1所示,包括五个不同型号的IGBT模块,分别为IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4和IGBT5。大额定功率的IGBT1模块作为主电路的开关,选取大额定功率是为了保证开关的可靠性。相同型号小额定功率的IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5作为待测器件,保证实验的可对比性。
所述的主电路***主要由由电源V1,电阻R1,IGBT1,IGBT2,IGBT3,IGBT4,IGBT5组成,如图1所示。电源V1的端1连接电阻R1的2端,电阻R1的3端连接IGBT1的4端。IGBT2和IGBT3并联后的两个输出端,一端与IGBT1的5端连接,另一端与IGBT4的10端连接,IGBT4的11端与IGBT5的12端连接,IGBT5的13端与电源V1的18端连接。此电路连接方法中多个待测IGBT模块采用不同的串并联连接电路,实现同一主电路中多个IGBT模块具有不同的负载电流。流经IGBT2和IGBT3的电流为主电路电流的一半,流经IGBT4和IGBT5的电流等于主电路中的电流。
IGBT模块的导通功耗计算公式为
Pcond=D·Ic·Vce(Ic)
=D·Ic·{[Vce_25℃+KV(Tj-25℃)]+Ic·[rce_25℃+Kr(Tj-25℃)]} (1)
其中,D为开关时间的占空比,Ic为IGBT模块的负载电流,Vce(Ic)为IGBT模块的集射极电压,Vce_25℃为IGBT模块在25℃时的集射极电压,rce_25℃为IGBT模块在25℃时的导通电阻,KV为电压温度系数,Kr为电阻温度系数。
IGBT模块的结温Tj计算公式为
Tj=Rth·Vce(Ic)·Ic+Tc
=Rth·{[Vce_25℃+KV(Tj-25℃)]+Ic·[rce_25℃+Kr(Tj-25℃)]}·Ic+Tc (2)
其中,Rth为IGBT的热阻,依据IGBT的数据手册获得不同实验条件模块的热阻,Tc为IGBT的壳温。
由公式(2)可知,IGBT的结温与IGBT的功耗以及水冷散热***中水冷板的壳温Tc有关。
所述的小电流测试***主要由电源V2,二极管D1组成,如图1所示。电源V2的正极输出端16与二极管D1的15端连接,二极管D1的14与IGBT1的5连接。电源的另一个输出端17与IGBT5的13端连接。
小电流测试***同时为四个待测IGBT模块提供测试电流。其中,流入IGBT2和IGBT3的测试电流是IGBT4和IGBT5测试电流的一半。
进一步,所述的小电流测试***,根据温箱实验中不同小电流下Tj与Vce的函数关系曲线,如图2所示。得到50mA小电流下IGBT的Tj的表达式
100mA小电流下IGBT的Tj的表达式
其中,IGBT2和IGBT3的Tj采用50mA测试电流下的Tj表达式计算。IGBT4和IGBT5的Tj采用100mA测试电流下Tj表达式计算。
所述的水冷散热***,如图3所示。能够为多个IGBT模块提供冷却液进行散热。冷却液(流体)在圆形管道内进行强制对流传热,其对流换热系数ɑ为
其中,λ为导热率,d为管道直径,u为液体流速,ρ为液体密度,μ为液体粘度,cp为比热容,n在流体被加热时为0.4,冷却为0.3。
依据对流换热系数公式可以判定,当其他参数一定时,α与u的0.8次方成正比,说明增大流速u有利于提高α。
当其它参数一定时,α与d的0.2次方成反比,说明减小管道直径d有利于提高α。
水冷散热***的散热量Q公式为
Q=a·A·(Tc-Tw) (6)
其中,Q为水冷板的散热量,单位W;a为对流换热系数,单位W/(m2.℃);A为导热面积,单位m2;Tc为水冷板温度(IGBT的壳温),即IGBT的壳温,单位℃;Tw为冷却液温度,单位℃。
由水冷散热***的散热量公式可得,当其他参数一定时,Q与a成正比。因此,通过改变水冷散热***中水冷板的管道直径d、液体流速u,来调节对流传热系数a,进而控制水冷散热***的散热量,从而控制IGBT的壳温Tc。
进一步,所述的水冷散热***,包含五个水冷工位。每个工位配备有独立的电磁阀,可以依据IGBT模块的散热需求,独立控制每个水冷工位电磁阀的通断,进而控制冷却液的通断时间。
所述的控制***,采用单片机进行控制,能够分别控制开关模块IGBT1和水冷散热***电磁阀的通断。
所述的数据采集***,能够同时监测主电路的电流Ic、待测IGBT模块集射极电压Vce、待测IGBT模块壳温Tc等数据,并且将采集的数据实时存储于电脑。
进一步,所述的数据采集***,可以自动提取小电流下待测IGBT模块集射极电压Vce数据,并且依据IGBT模块的K曲线,计算IGBT模块的Tj变化。
附图说明
图1是本发明提供的功率循环实验装置电路图;
图2是本发明提供的IGBT集射极电压Vce和结温Tj对应曲线图;
图3是本发明提供的水冷散热工位图;
图4是本发明提供的功率循环实验流程图;
图5是本发明提供的功率循环实验参数确定图;
图6是本发明提供的功率循环实验时序图;
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施步骤做详细的说明。
本发明提供的一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置。其特征在于,包括作为控制和待测器件的多个IGBT模块单元、用于组成测试回路的主电路***、用于结温计算的小电流测试***、包含多个独立工位的水冷散热***、用于控制IGBT栅极驱动及水冷散热通断的控制***、用于监测电参数和热参数的数据采集***。
图4为依据本发明提供的功率循环实验方法进行功率循环实验的流程图,实施步骤分为:首先,设定主电路电流Ic,得到设定电流条件下IGBT的集射极电压Vce,计算得到IGBT的导通功耗。接着,设定对流换热系数,电磁阀的开关时间,计算水冷散热***的散热量。然后,对IGBT的导通功耗和水冷散热***的散热量进行计算得到IGBT的总功耗。再依据理论结温计算公式得到IGBT的理论Tj。若满足所制定的实验要求,则采用此实验条件进行功率循环实验调试。之后,采用小电流测试***,实时采集四个待测IGBT模块的饱和压降Vce,并带入各自K曲线计算公式,计算各个待测IGBT模块的Tj。对比实验计算结温与理论计算结温的差别。若符合偏差范围,则开始正式进行功率循环实验。若不满足偏差要求,则停止实验,继续进行调整实验中的参数,直至实验计算的结温与理论计算结温满足偏差要求,可以进行功率循环实验。
具体实施步骤如下:首先,将五个模块固定于五个散热工位,如图3所示。依据电路图1将电源V1的正极与电阻R1的一个端子相连,将电阻的另一端子连接于IGBT1的集电极C,将IGBT2和IGBT3的集电极C并联连接于IGBT1的发射极E,接着将IGBT2和IGBT3的发射极E并联连接于IGBT4的集电极,将IGBT4的发射极E连接于IGBT5的集电极,将IGBT5的发射极E连接于电源V1的负极。
小电流测试***中电源V2的正极与二极管D1的正极相连,将二极管D1的负极与IGBT1的发射极E相连。将电源V2的负极与电源V1的负极相连。
之后,按照图5中的顺序进行各参数的计算。设定的电流Ic,开关时间占空比D,依据公式(1)计算导通功耗Pcond。将水冷散热***的散热管道直径d,冷却液流速u,带入公式(5)计算对流换热系数α。然后设定水冷板的散热量Q、冷却液温度Tw、对流换热系数α带入公式(6)计算水冷板的壳温Tc。之后根据导通功耗Pcond和水冷板的壳温Tc带入公式(2)计算IGBT的结温Tj。
按照所设定的开关时间、电流等参数进行功率循环实验。各开关的时序图如图6所示。在一个功率循环周期内,当IGBT1导通时,IGBT2和IGBT3的电流为0.5Ic,IGBT4和IGBT5的电流为Ic。IGBT2和IGBT5的水冷控制电磁阀导通,带走IGBT功耗产生的一部分热量。IGBT3和IGBT4的水冷控制电磁阀关断。当IGBT1关断时,IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5未通入电流。IGBT2、IGBT3,IGBT4、IGBT5的水冷控制电磁阀都导通,迅速给四个模块降温。
所述的小电流测试***测试IGBT1关断期间四个待测IGBT模块的集射极电压Vce。依据模块的集射极电压Vce与Tj的关系,分别将IGBT2和IGBT3的Vce带入公式(2),将IGBT4和IGBT5的Vce带入公式(3)。计算得到一个周期内IGBT2的结温差为△Tj2,IGBT3的结温差为△Tj3,IGBT4的结温差为△Tj4,IGBT5的结温差为△Tj5。将实验计算Tj与理论计算Tj进行比较,若两者的差值较大,不在允许的偏差范围内,则根据图4的实验流程,重新设定实验条件进行实验。直至实验计算Tj与理论计算Tj满足实验要求,之后开始进行功率循环实验。
Claims (5)
1.一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置,其特征在于:该装置包括:IGBT模块、主电路***、小电流测试***、水冷散热***、控制***、数据采集***;IGBT模块置于水冷散热***上,分别将主电路***和小电流测试***与IGBT模块进行连接;控制***对IGBT1模块的栅极,以及水冷散热***的电磁阀进行控制;数据采集***实时的监测主电路的电流Ic、待测IGBT模块集射极电压Vce、待测IGBT模块壳温Tc数据;并且将测试电流下的Vce数据,自动带入K曲线,实时计算IGBT模块的结温Tj;
所述的IGBT模块,包括五个不同型号的IGBT模块,分别为IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4和IGBT5;大额定功率的IGBT1模块作为主电路的开关,选取大额定功率是为了保证开关的可靠性;相同型号小额定功率的IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5作为待测器件,保证实验的可对比性;
所述的主电路***由电源V1,电阻R1,IGBT1,IGBT2,IGBT3,IGBT4,IGBT5组成;电源V1的端1连接电阻R1的2端,电阻R1的3端连接IGBT1的4端;IGBT2和IGBT3并联后的两个输出端,一端与IGBT1的5端连接,另一端与IGBT4的10端连接,IGBT4的11端与IGBT5的12端连接,IGBT5的13端与电源V1的18端连接;此电路连接方法中多个待测IGBT模块采用不同的串并联连接电路,实现同一主电路中多个IGBT模块具有不同的负载电流;流经IGBT2和IGBT3的电流为主电路电流的一半,流经IGBT4和IGBT5的电流等于主电路中的电流;
IGBT模块的导通功耗计算公式为
Pcond=D·Ic·Vce(Ic)
=D·Ic·{[Vce_25℃+KV(Tj-25℃)]+Ic·[rce_25℃+Kr(Tj-25℃)]} (1)
其中,D为开关时间的占空比,Ic为IGBT模块的负载电流,Vce(Ic)为IGBT模块的集射极电压,Vce_25℃为IGBT模块在25℃时的集射极电压,rce_25℃为IGBT模块在25℃时的导通电阻,KV为电压温度系数,Kr为电阻温度系数;
IGBT模块的结温Tj计算公式为
Tj=Rth·Vce(Ic)·Ic+Tc
=Rth·{{vce_25℃+KV(Tj-25℃)]+Ic·[rce_25℃+Kr(Tj-25℃)]}·Ic+Tc (2)
其中,Rth为IGBT的热阻,依据IGBT的数据手册获得不同实验条件模块的热阻,Tc为IGBT的壳温;
由公式(2)可知,IGBT的结温与IGBT的功耗以及水冷散热***中水冷板的壳温Tc有关;
所述的水冷散热***,包含五个水冷工位;每个工位配备有独立的电磁阀,可以依据IGBT模块的散热需求,独立控制每个水冷工位电磁阀的通断,进而控制冷却液的通断时间;
所述的控制***,采用单片机进行控制,能够分别控制开关模块IGBT1和水冷散热***电磁阀的通断;
所述的水冷散热***;能够为多个IGBT模块提供冷却液进行散热;冷却液在圆形管道内进行强制对流传热,其对流换热系数a为
其中,λ为导热率,d为管道直径,u为液体流速,ρ为液体密度,μ为液体粘度,cp为比热容,n在流体被加热时为0.4,冷却为0.3;
依据对流换热系数公式判定,当其他参数一定时,α与u的0.8次方成正比,说明增大流速u有利于提高α;
当其它参数一定时,α与d的0.2次方成反比,说明减小管道直径d有利于提高α;
水冷散热***的散热量Q公式为
Q=a·A·(Tc-Tw) (6)
其中,Q为水冷板的散热量,单位W;a为对流换热系数,单位W/(m.℃);A为导热面积,单位m2;Tc为水冷板温度即IGBT的壳温,单位℃;Tw为冷却液温度,单位℃;
由水冷散热***的散热量公式可得,当其他参数一定时,Q与a成正比;因此,通过改变水冷散热***中水冷板的管道直径d、液体流速u,来调节对流传热系数a,进而控制水冷散热***的散热量,从而控制IGBT的壳温Tc。
2.根据权利要求1所述的一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置,其特征在于:所述的小电流测试***主要由电源V2,二极管D1组成;电源V2的正极输出端16与二极管D1的15端连接,二极管D1的14与IGBT1的5连接;电源的另一个输出端17与IGBT5的13端连接。
3.根据权利要求1所述的一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置,其特征在于:小电流测试***同时为四个待测IGBT模块提供测试电流;其中,流入IGBT2和IGBT3的测试电流是IGBT4和IGBT5测试电流的一半。
5.根据权利要求1所述的一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置,其特征在于:所述的数据采集***,能够同时监测主电路的电流Ic、待测IGBT模块集射极电压Vce、待测IGBT模块壳温Tc等数据,并且将采集的数据实时存储于电脑;
所述的数据采集***,自动提取小电流下待测IGBT模块集射极电压Vce数据,并且依据IGBT模块的K曲线,计算IGBT模块的Tj变化。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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