CN109444705A - 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系统、用于结温计算的小电流测试系统、包含多个独立工位的水冷散热系统、用于设置IGBT驱动及水冷散热系统通断的控制系统、用于监测电参数和热参数的数据采集系统。主电路系统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。数据采集系统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

一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置
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系统的失效。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、主电路系统、小电流测试系统、水冷散热系统、控制系统、数据采集系统。IGBT模块置于水冷散热系统上，分别将主电路系统和小电流测试系统与IGBT模块进行连接。控制系统对IGBT1模块的栅极，以及水冷散热系统的电磁阀进行控制。数据采集系统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。
所述的主电路系统主要由由电源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系统中水冷板的壳温Tc有关。
所述的小电流测试系统主要由电源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。
小电流测试系统同时为四个待测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，所述的小电流测试系统，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。
所述的水冷散热系统，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。
水冷散热系统的散热量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℃。
由水冷散热系统的散热量公式可得，当其他参数一定时，Q与a成正比。因此，通过改变水冷散热系统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，进而控制水冷散热系统的散热量，从而控制IGBT的壳温Tc。
进一步，所述的水冷散热系统，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。
所述的控制系统，采用单片机进行控制，能够分别控制开关模块IGBT1和水冷散热系统电磁阀的通断。
所述的数据采集系统，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，所述的数据采集系统，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系统、用于结温计算的小电流测试系统、包含多个独立工位的水冷散热系统、用于控制IGBT栅极驱动及水冷散热通断的控制系统、用于监测电参数和热参数的数据采集系统。
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，计算水冷散热系统的散热量。然后，对IGBT的导通功耗和水冷散热系统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，采用小电流测试系统，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。
小电流测试系统中电源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。将水冷散热系统的散热管道直径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。
所述的小电流测试系统测试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 (10)

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、主电路系统、小电流测试系统、水冷散热系统、控制系统、数据采集系统；IGBT模块置于水冷散热系统上，分别将主电路系统和小电流测试系统与IGBT模块进行连接；控制系统对IGBT1模块的栅极，以及水冷散热系统的电磁阀进行控制；数据采集系统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。
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。
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：所述的主电路系统由由电源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
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
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系统中水冷板的壳温Tc有关。
4.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：所述的小电流测试系统主要由电源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。
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：小电流测试系统同时为四个待测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。
6.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：所述的小电流测试系统，根据温箱实验中不同小电流下Tj与Vce的函数关系曲线；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。
7.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：所述的水冷散热系统；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；
水冷散热系统的散热量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为水冷板温度即IGBT的壳温，单位℃；Tw为冷却液温度，单位℃；
由水冷散热系统的散热量公式可得，当其他参数一定时，Q与a成正比；因此，通过改变水冷散热系统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，进而控制水冷散热系统的散热量，从而控制IGBT的壳温Tc。
8.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：所述的水冷散热系统，包含五个水冷工位；每个工位配备有独立的电磁阀，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。
9.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：所述的控制系统，采用单片机进行控制，能够分别控制开关模块IGBT1和水冷散热系统电磁阀的通断。
10.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：所述的数据采集系统，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；
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