某电动车用功率模块温升与冷却需求分析

1.2 汽车用功率模块介绍
汽车驱动用模块 IGBT[2]中文名为绝缘栅双极 型晶体管，它是由 MOSFET（输入级）和 PNP 晶体 管（输出级）复合而成的一种器件。一般功率模块
7 6 1
P
N '
+
DCDC
+
图 1 驱动系统冷却模型
本身热容量非常小，对温度吸收能力有限。如图 2 所示，通常 IGBT 的热量通过 DCB（一种复合型板 材）传到基板上，然后通过散热器或 PINFIN[3]结构 散热，而 NTC（模块内部温度测量电阻）只能通过 采集 DCB 的温度间接采集模块芯片的温度，当模 块温度快速变化时可能会因为 NTC 无法及时反馈 模块的温升而无法对其进行保护。本文选取某厂 家的 HP2 型号带 PINFIN 结构功率模块 IGBT 进行 分析研究。
表 1 IGBT 温升仿真
工况
功耗
初始水 台架最高 NTC 最高 响应时 温/℃ 温度/℃ 温度/℃ 间 T/s
有水无 峰值工况 25 循环 （660 A） 65
175
128.5 19.3
175
133.2 12.2
有水无 堵转工况 25 循环 （660 A） 65
175
105.1 15.2
175
105.3
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机电技术
2019 年 4 月
某电动车用功率模块温升与冷却需求分析
陈士刚 陈亚莉
（奇瑞新能源汽车技术有限公司，安徽 芜湖 241002）
摘 要：对某款新能源电动汽车所使用功率模块 IGBT 的温升进行了研究，对功率模块单件进行仿真并对模块驱动器 进行台架测试对比，分析认为模块仿真数据与实测数据基本一致；同时研究了整车冷却系统控制策略，并提出一种对模块 采集温度加入补偿值来作为判断冷却系统提前进入保护的控制方法，为 IGBT 温度保护及整车冷却系统的策略制定等提 供参考依据。
（a）25℃，280 Nm，有水无循环仿真
（b）25℃，280 Nm，有水无循环堵转仿真
（c）65℃，280 Nm，有水无循环仿真
（d）65℃，280 Nm，有水无循环堵转仿真
图 3 模块温升仿真
2）HP2 模块内的 NTC 只能间接测量 IGBT 芯 片的温度，并且响应时间较长、约 10 s 多，通过 NTC 保护 IGBT 存在保护不及时的风险。仿真结 果如图 3 所示，具体仿真数据及条件如表 1 所示。
图 2 IGBT 简化模型
功率模块损坏的原因通常有过流、过压及过 温，过温通常是由于功率器件本身无法及时保护 或外部冷却系统异常导致。当前汽车用 IGBT 模 块散热方式主要为液冷方式。根据上述模块本身 温升特性，对冷却系统的保护要求需具备一定的
作者简介：陈士刚（1987—），男，工程师，硕士，主要从事新能源汽车电驱动系统研究工作。 陈亚莉（1977—），女，助理工程师，主要从事驱动系统供应商质量管理工作。
350
120
300 100
250
200
TORQUE Nm
80
IGBT $ /
./Nm
150
TMI_IGBT_TEMP
60
100
50
0 1
-50
பைடு நூலகம்
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20 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56
1 功率模块与冷却系统介绍
1.1 驱动系统冷却原理介绍
新能源汽车动力总成部分由传统的发动机更 改为新能源驱动电机系统，其扭矩响应迅速、温度 上升周期快，功率元器件温度上升对其寿命也有 损害、对驱动系统效率有影响，故对驱动冷却系统 设计具有很高的要求。如图 1 所示为某款新能源 汽车冷却系统原理图。系统由冷却水泵作为冷却 系统循环的动力源，通过传感器对各零部件采样 的温度值来调控水泵的占空比，以控制水泵的输 出能力[1]，通过冷却系统带走各部件的发热量；尤 其是功率模块组件驱动控制器，由于驱动扭矩对 其 温 升 非 常 敏 感 ，故 对 冷 却 系 统 的 需 求 也 非 常 严格。
第2期
陈士刚 等：某电动车用功率模块温升与冷却需求分析
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策略：当模块负荷不同时其温升上升周期不同，模 块本身传感器温度采集及反馈均需一定周期；同 时，因水泵启动、管路水阻及散热器启动等因素， 实际从水泵接收信号到冷却系统正常进行冷却循 环需一定周期。故分析 IGBT 模块负荷与温升周 期关系，对功率模块温升研究具有重要意义，同时 可为整车冷却系统保护策略积累相关经验。
6.7
2.2 驱动控制器温升测试
测试条件： 驱动器测试时水道注入冷却液不开启水泵， 将电机与控制置于环境仓内，环境仓温度设置为 25℃/65℃，保温 2 h 后开始试验；之后继续保持环 境仓在 25℃/65℃下，分别进行有水无循环及有水 无循环堵转实验。台架测试时使用驱动器整机进 行温升测试，对 IGBT 温升实际只能采集 NTC 温 升，对节温无法直接测量。测试结果如图 4 所示。 图 4 测试数据中，考虑测试台架本身的冷却 能力及为保护模块不受损坏，实际温升阈值设置 为 95℃。为了评估仿真和台架测试精准度，将表 2 中 IGBT 温升按照表 1 温升数值评估，对应响应时
关键词：电动汽车；驱动控制器；IGBT；温升；冷却系统 中图分类号：U469.72；U463.6 文献标识码：A 文章编号：1672-4801（2019）02-040-04 DOI:10.19508/ki.1672-4801.2019.02.011
随着能源问题日益紧张，传统汽油车逐渐被 新能源电动汽车所替代，新能源汽车主要由驱动 电机及驱动控制器为整车提供动力，为汽车主要 核心部件之一。驱动控制器（MCU）的核心部件主 要是功率模块（IGBT），其在驱动汽车加速或大扭 矩时温度上升非常迅速，故有必要对模块的温升 及驱动冷却系统进行研究，以确保模块能够稳定 工作、提高其工作寿命。
2 功率模块 IGBT 温升分析
2.1 IGBT 模块温升仿真分析 根据某款新能源汽车驱动系统的技术参数
——扭矩 280 Nm、电流 660 A，分别在环境温度 25℃和 65℃、有水无循环及有水无循环堵转工况 下进行功率模块的某软件的温升仿真分析：
1）HP2 模块为 PINFIN 散热结构，仿真时在无 水循环时热阻约 0.4 K/W，比正常水循环时大很 多，并且热容很小，容易造成模块过热损坏。