1. 簡介

電機控制器的功率模塊，即IGBT器件和續流二極管，在開關和導通電流會產生損耗，損失的能量會轉化成熱能，表現為功率模塊發熱。電機控制器功率模塊的可靠性和壽命極大地受到工作結溫Tj的影響。雖然IGBT和二極管的PN結溫度無法直接測量，但可以通過間接的測量和計算來獲取。當前，電機控制器功率模塊結溫的計算已成為大家普遍關注的焦點。下面我們來聊聊功率模塊的結溫計算及其模型。

對于功率模塊中每個IGBT和二極管，損耗熱功率都來自結，其值最高。它的瞬時值等于IGBT或二極管的I x V乘積。熱量流過結構的熱阻抗并散發到周圍環境中。其熱阻抗越低，結溫與周圍環境溫度的差值越小。采用熱等效回路模型來描述功率模塊器件的熱行為，如下圖1：

2. 功率模塊IGBT結溫計算

電機控制器功率模塊的結溫取決于IGBT晶體管和續流二極管的損耗，因此，根據熱等效回路，我們分別計算出IGBT結溫Tj,IGBT和續流二極管的結溫Tj,Diode,如下：

其中：

備注：IGBT晶體管和續流二極管的損耗的計算，請參考“新能汽車電機控制器功率模塊IGBT損耗的計算及其模型”。

對于熱阻抗的計算，我們可以采用分層熱模型分析傳熱過程。利用功率器件（即IGBT和二極管）的PN結的損耗送入分層熱模型并與周圍靜態溫度（即冷卻液溫度）來做比較，就可以計算出結溫的動態變化。下面來介紹兩種熱模型，即π型熱等效回路和Cauer型熱等效回路，如圖2和圖4所示.

• π型熱等效回路：根據實際的物理層和材料沒有關系，適合通過計量測定熱阻和阻抗，如圖2. 使用π模型沒有必要知道確切的材料參數。Rth-Cth耦合的數目取決于測量點的數量。
• Cauer型熱等效回路：根據功率模塊器件的實際物理層和材料直接建立模型，這個模型需要精確的材料參數，特別是相關層的橫向熱傳參數。所需Rth-Cth耦合的數目可以根據圖3功率模塊器件的結構布置的設計而定。

圖2.π型熱等效回路

圖3. IGBT模塊示意圖

圖4.Cauer型熱等效回路

對于熱阻抗Zth,IGBT~~àIGBT and Zth,Diode~~àDiode可以通過π型熱等效回路來確定。圖3 π型熱等效回路可視作由4個Rth-Cth耦合并行組成，定義為PTTH單元，即Rth-Cth耦合濾波器，PTTH單元的離散實現方程式如下，具體推導過程可參考“新能源汽車電機控制器溫度計算及其模型—DC電容篇”，可知：

根據上述公式，可建立PTTH單元的simulink模型如下圖5.

圖5, PTTH單元simulink模型

現根據公式（2-1）和（2-2），定義如下：

根據π型熱等效回路可得：

將公式（2-5）離散化，離散化過程可參考公式（2-3），（離散后的公式這里就不再具體列出），可參考△Tj, IGBT->IGBT計算的Simulink模型如下圖6。

圖6，△Tj, IGBT->IGBT計算的Simulink模型

同理，可建立△Tj, diode->diode計算Simulink模型如下圖7所示：

圖7. △Tj, Diode->Diode計算的Simulink模型

對于熱阻抗Zth,IGBT~~àDiode和 Zth,Diode~~àIGBT可以通過Cauer型熱等效回路來確定。圖4 Cauer型熱等效回路可視作由4個Rth-Cth耦合串行組成，可得：

因此，復用PTTH單元Simulink模型，可見，建立△Tj,Diode->IGBT和△Tj,IGBT->Diode的計算模型,如圖8和圖9所示。

其中:

圖8. △Tj, IGBT->Diode計算的Simulink模型

圖9. △Tj, Diode->IGBT計算的Simulink模型

根據公式（2-1）和（2-2），我們可得到IGBT的結溫和續流二極管的結溫，其兩者中較大者定義為電機控制器功率模塊最高結溫。如圖9.

圖10.電機控制器功率模塊結溫的Simulink模型。

下面逐一分析輸入：

關于IGBT晶體管和續流二極管的損耗的計算，請參考“新能源汽車電機控制器功率模塊IGBT損耗的計算及其模型”

關于冷卻液，如果冷卻液溫度變化非常快，則功率模塊的溫度也會以相同的方式變化。為了防止這種情況，用于計算元器件溫度的冷卻液溫度也需通過低通濾波器進行過濾。另外，還需考慮功率模塊損耗引起的溫升。

關于熱阻Rth、熱容Cth和熱阻抗Zth可以通過FEA仿真來獲取，在實際工程應用時，可以根據計算出的結溫和實際的結溫來做比較，從而修正對應的熱阻Rth、熱容Cth。其中實際的結溫可以通過校準曲線來確定。校準曲線可按以下方式獲取：

利用外部熱源加熱被測模塊，然后讓模塊通過很小的測量電流Iref,記錄此時的飽和電壓UCEsat，所選的Iref應該足夠小，這樣損耗足夠小就可以忽略模塊的自加熱。在不同溫度下重復上述過程，可得函數UCEsat=f(Tj, Iref )的校準曲線，如圖11所示。

圖 11.UCEsat=f(Tj, Iref )的校準曲線

對于熱阻Rth和熱容充滿的時間常數，即Tau，會隨著冷卻液流量的變化而變化，需要考慮使用一維表查表來根據冷卻液流量進行標定修正。