电动汽车逆变器功率模块的设计与仿真

概述

在本文中，我们将研究三相逆变器功率模块的设计仿真方面。逆变器必须同时运行的快速开关速度以及高额定功率带来了许多设计挑战，例如热管理、EMC 合规性和可靠性。在本文中，我们将使用仿真来了解这些挑战并评估不同的设计选择。

1、简介

可靠的电力电子系统对于电动汽车的运行至关重要。 它管理电动汽车各个部件之间的电能传输和转换。 无论是从外部充电站为电池充电还是从再生制动中回收能量，无论是将电池的直流电流转换为电机的交流电流，还是将电池的电压电平转换为不同的电气子系统，功率 电子产品在电动汽车中发挥着重要作用。 在实现高功率密度的同时保持其热可靠性，对电力电子系统的要求变得越来越具有挑战性。 在本文中，我们将研究三相逆变器功率模块的设计，并使用仿真研究其电气和热行为。

2.几何模型

图 1 所示为所考虑的三相逆变器功率模块的几何结构。它具有三个独立的 H 桥部分，每个部分具有两条直流输入引线和一条交流输出引线。图 2 所示是这些 H 桥部分之一的特写视图。它显示了三个平行的电流路径，每个路径都有一个 IGBT 芯片（方形）和一个并联二极管芯片（矩形） 在高侧和低侧。图 3 中的侧视图显示了与热设计相关的布局的分层结构。 IGBT 和二极管管芯焊接到 DBC 层上。 IGBT 和二极管管芯的端子在它们自己和断开的 DBC 层之间适当地连接，使用引线键合来实现 H 桥部分。然后将断开的 DBC 层通过基板连接到基底金属板，然后再连接到另一个单独的 DBC 层。衬底用于导热，同时仍将其上方的 DBC 层电绝缘。基底金属板用于将热量从模具散布到下方的散热片上。

图 1：三相逆变器功率模块几何外部（左）和内部（右）视图

图 2：单相 H 桥部分的特写视图

图 3：电源模块几何结构的侧视图，显示了分层结构

3. 模拟

3.1 电气特性

在本节中，我们将研究逆变器功率模块的电气特性。 我们将从提取 IGBT、二极管管芯和 DBC 之间的丝焊连接产生的寄生参数开始。 由于寄生电感很大程度上取决于连接的几何形状，因此我们只需要考虑长度不同的焊线组。 我们使用专用的部分电感计算器，计算不同组焊线连接的寄生电感和电阻。 下面总结了不同连接的结果。

图 4：连接不同 IGBT、二极管芯片和 DBC 的引线键合

通过计算寄生电感和电阻值，我们可以使用等效一维电路图来表示逆变器功率模块，如图 5 所示。 在这里，您会注意到我们已将每个 H 桥部分中存在的三个并行电流路径合并为一个。 因此，我们忽略了这些并联电流路径中连接不对称所产生的影响。 IGBT 和二极管使用相同电压等级的供应商提供的 P-SPICE 电路模型进行建模。 对于这项工作，我们使用理想化的电池和三相电感负载来表示电机。

图 5：用于电气表征的等效一维电路图

接下来我们定义栅极驱动器来分析逆变器的输出特性。 对于栅极驱动器，我们使用 10 kHz 的正弦三角三相脉宽调制 (PWM) 信号。 生成的栅极驱动器信号显示在图 6 的左侧。 产生的三相电流输出显示在右上角，持续四个周期。 该图的右下方描绘了其中一个 IGBT 的集电极-发射极电压以及栅极-发射极电压信号。 我们可以清楚地看到由于感应效应在栅极关断期间产生的反电动势。

图 6：10 kHz 的三相 PWM 信号（左）、三相逆变器输出电流（右上）、栅极关闭期间 VCE 中的电压尖峰（右下）

3.2 热特性

接下来我们将注意力转向功率模块的热特性。 逆变器设计的一大挑战是能够将 IGBT 和二极管的结温保持在其工作值。 还必须确保整个功率模块的温度分布相对均匀。 如图 3 所示，IGBT 和二极管管芯中产生的热量最初通过层状结构传导，然后使用基底金属板传播，最后使用流体对流。

图 7：三相逆变器功率模块系统示意图（左），IGBT 和二极管在其工作结温下的平均热损耗。

我们使用系统行为建模工具来计算 18 个 IGBT 和 18 个二极管中每个周期产生的平均热损耗。 如图 7 所示，电源模块的设置与电气特性类似，但现在我们考虑所有电流路径。 IGBT 和二极管管芯的损耗行为是使用供应商通过实验获得的与温度和集电极电流相关的表格数据捕获的，并且可在产品规格表中找到。 10 kHz PWM 信号在其工作结温下的平均功率损耗对于二极管约为 125 W，对于 IGBT 约为 400 W。

图 8：考虑的两个参考冷却系统设计：纵向流动（左）和横向流动（右）

我们将计算 IGBT 和二极管中与温度相关的功率损耗的一维系统求解器与计算功率模块中温度分布的 CFD 共轭传热求解器耦合。 CFD 求解器是基于 Navier-Stokes 有限体积的求解器，它依赖于流体区域中的主体拟合网格和固体区域中的非共形网格。固体-固体和固体-流体边界之间的热界面被自动检测和强制执行。核心求解器依赖于具有分离速度和压力公式的并置有限体积方案。梯度计算基于保证二阶精度的最小二乘公式。如图 8 所示，我们考虑了两个参考冷却系统设计。第一个设计考虑沿纵向的流动，而第二个设计考虑沿横向的流动。 CFD 模拟中的总单元数约为 2M 单元 - 1.23M 用于流体体积，其余用于网格划分固体。在这两种情况下，冷却液以每小时 300 升的速度在 20 ℃ 的温度下注入。出口被建模为向大气开放的零压力出口。

图 9：纵向（顶部）和横向（底部）功率模块的计算温度曲线

图 9 所示为功率模块纵向和横向流动的温度曲线。 从图中可以看出，纵向流动可以在整个功率模块上获得相对均匀的结温，约为70℃，而横向流动则导致功率模块中心温度分布不均匀，温度较低。 横向流动导致温度分布不均匀，因为在整个功率模块中流动不均匀。 横向和纵向流动都可以受益于歧管设计，以保持整个功率模块的温度均匀。 当我们稍后考虑电源组件的设计时，我们将研究这种设计。

4、结论

我们研究了电动汽车逆变器功率模块的设计和仿真方面。 特别是，我们研究了功率模块的电气和热行为。 我们将一维等效行为模型与 CFD 求解器结合起来计算结温，并能够设计参考冷却系统以将 IGBT 和二极管的结温保持在其工作范围内。

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