IGBT模块封装及车用变流器设计与验证演示幻灯片.ppt

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load,）,“九五”电机驱动主要工作,6,将全数字交流异步电机系统技术应用于奥运示范公交车运行,121,线纯电动大客车公交示范运营,(2005.6-,至今,),满载重量,-,约,17,吨最高车速,-80Km/h,；续驶能力,-150/200Km,“十五”以来电机驱动的主要进展,北汽合作,“,EVT,深度混合动力陆霸,SUV,汽车,”,具有原始创新性,7,基于双机械端口电机的电力无级调速系统利用双机械端口电机的两个机械自由度和两个电端口的控制，实现无级调速，实现内燃机工况的最优化，是具有原始创新的技术，打破国外技术垄断。,攻克了电机设计与控制、内转子冷却、内外电机解耦等核心问题。,整车动力性测试,实验结果,100km/h,加速时间,28.99s,最高车速,122.5km/h,爬坡实验,30%,标准坡道,EVT,混合动力汽车动力性能测试结果,基于双机械端口电机的深度混合动力,“十五”以来电机驱动的主要进展,8,研究需求,9,建立,IGBT,综合测试平台,为客户提供权威的,IGBT,模块第三方测评服务,基于此测试平台进行关键工艺技术的研究,开展针对特定行业的,IGBT,测试技术、测试标准研究,IGBT,第三方检测中心,中科院电工所申请,电驱动系统大功率电力电子器件封装技术北京市工程实验室,得到批复，将以关键工艺研发、可靠性检测和封装设计为研究目标，建立：,国家级高压大功率,IGBT,模块产品检测中心,、,高压大功率电力电子器件封装技术平台,和,高压大功率电力电子模块应用技术平台,。,国家重大科技专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”（“,02,专项”）“高压,IGBT,模块产品测试与考核公共平台建设”。,10,平台：,电气性能测试实验室；,可靠性测试实验室。,科研工作：,高压大功率电力电子模块产,品质量检测与服务,高压大功率电力电子模块产品检测中心,全面建成后的电气性能测试实验室将基本具备覆盖全电压范围、全电流范围的,IGBT,全参数测试能力。,静态参数（最高电压,7000V/,最大电流,4000A,）,动态参数（最高电压,4500V/,最大电流,4000A,）,杂散参数,雪崩耐量,稳态热阻,绝缘测试,电磁辐射,全面建成后的,可靠性测试,实验室将全面满足,GB/T,、,GJB,以及,MIL STD,、,IEC,、,DIN,等国际标准中对半导体器件可靠性测试的要求。,气候环境测试,寿命,老化,测试,机械环境测试,11,12,IGBT模块封装,13,IGBT模块封装设计仿真需求,IGBT,模块封装设计,1.,电气特性设计,多芯片均流设计,杂散电感计算,EMI/EMC,设计,2.,热特性设计,温度分布和最高结温,3.,机械特性设计,热应力,耐冲击,电特性,热特性,机械特性,损耗,结温,热应力,均流,杂散参数,EMI,EMC,芯片模型,电磁力,14,基于,simplorer FF1200R17KE3,模块的行为模型建模及实验验证,转移特性仿真电路,伏安特性仿真电路，,Vge=15V,Vge,Datasheet,仿真模型,Value（Vce=2V）,Value（Vce=3V）,Error（%）,20,1000A,980A,0.2%,15,800A,800A,0.0%,12,700A,680A,0.28%,10,580A,520A,10.3%,15,基于,simplorer FF1200R17KE3,模块的行为模型建模及实验验证,Vce,Ic,负载电阻,负载电感,驱动电压,Vgs,开关频率,fs,占空比,实验,1,75V,170A,0.4,0.45mH,+17V，-13V,833HZ,93%,实验,2,200V,400A,0.4,0.45mH,+17V，-13V,833HZ,93%,16,基于,simplorer FF1200R17KE3,模块的行为模型建模及实验验证,开通波形（,75V/170A,）,开通波形（,200V/400A,）,17,开通门极电压,Vge,波形（,75V/170A,）,开通门极电压,Vge,波形（,200V/400A,）,基于,simplorer FF1200R17KE3,模块的行为模型建模及实验验证,18,关断波形（,75V/170A,）,基于,simplorer FF1200R17KE3,模块的行为模型建模及实验验证,关断波形（,200V/400A,）,19,基于,simplorer FF1200R17KE3,模块的行为模型建模及实验验证,关断门极电压,Vge,波形（,75V/170A,）,关断门极电压,Vge,波形（,200V/400A,）,20,IGBT模块热分析及热阻计算,底面,0,，芯片发热损耗功率为,30/50/50W,ANSYS,静态热分析,IGBT,静态热特性分析,21,IGBT模块热分析及热阻计算,IGBT,瞬态热特性分析,22,IGBT模块热分析及热阻计算,基于,Ansys,建立模块四分之一结构的热电耦合模型,瓶颈：,芯片等效电阻随控制电压变化。,采用变化的电流激励；,根据损耗实验值对芯片电阻率进行等效。,23,IGBT模块热分析及热阻计算,整体温度分布,芯片温度分布,铝丝电流分布,整体电流分布,最高温度点发生变化,热电耦合瞬态分析仿真结果,24,IGBT模块热分析及热阻计算,电热耦合和独立热仿真的差别：,原因,25,IGBT热分析及热阻计算,芯片结温对比,IGBT,芯片结温直接影响芯片电气特性和模块的安全运行，因此结壳温差是热仿真中最关键分析点之一。,根据不同研究目标，可采用不同的仿真方法。,26,Thermal impedance curve of IGBT chip to case in 400A600V IGBT,module,i,1,2,3,4,Ri K/kW,55.3,30.14,12,29.67,i ms,31.05,1.448,12.34,42.89,Analytical function for transient thermal,impedance:,IGBT模块热分析及热阻计算,根据瞬态温升结果，得到模块结壳热阻抗如左图所示。,27,IGBT芯片均流分析,多芯片,IGBT,封装中影响因素,模块杂散电感,芯片电气参数一致性,分析方法：,采用集总电路法，采用,IGBT,芯片级模型，校验各芯片在开通与关断时的电流暂态变化,Q3d,28,IGBT芯片均流分析,等效电路图,采用,IGBT,与二极管芯片等效电路模型,正,负,AC,29,IGBT芯片均流分析,开通过程,导通时小于,10%,电流尖峰,17%,30,IGBT芯片均流分析,关断过程,31,模块封装与实验,32,车用控制器散热底板分析,边界条件,水流量,L/min（m/s）,进水口温度,热源功率,W,6（0.65）,40,4678,Icepak,实验值,模型选择,面热源,最高温度（,）,95.3,99.2,最低温度（,）,68.9,71.4,压差（,kpa）,2.8,2.2,33,永磁电机磁钢涡流损耗分析,高功率密度,更加紧凑的结构,高转速,集中绕组电机高速运行给磁钢散热给带来了巨大的压力，温度积累导致磁钢失磁。,8,极,48,槽,20,极,24,槽,失磁后电流波形（半波）,失磁后反电势波形（半波）,34,理论建模,图,1,涡流密度分布对比（理论与有限元）,图,2,涡流损耗分布对比（理论与有限元）,1-segment,(,P,ec,=1.0 p.u),2-segment(,P,ec,=0.783 p.u.),4-segment,(,P,ec,=0.387 p.u.),6-segment,(,P,ec,=0.212 p.u.),8-segment,(,P,ec,=0.13 p.u.),10-segment,(,P,ec,=0.086 p.u.),有限元分析,永磁电机磁钢涡流损耗分析,理论预测结果与有限,元分析吻合度高,35,涡流损耗损耗指标趋势图（,4,种电机）,涡流损耗对比（,4,种电机）,指标预测结果与有限元分析吻合度高,热分析,转子损耗为,2.4kW,时电机,温升情况,转子损耗为,0.88kW,时电机,温升情况,永磁电机磁钢涡流损耗分析,36,Simplorer,与,Maxwell,联合仿真电路图,电源激励由,Simplorer,分别施加理想电流源、,10kHz,和,5kHz,脉宽调制电压，电机仿真模型位于,Maxwell,中。简化分析起见，脉宽调制策略为经典的,SPWM,。,永磁电机磁钢涡流损耗分析,37,(a)理想电流源激励下,(b)脉宽调制激励下（,f,c,=10kHz）,(c),脉宽调制激励下（,f,c,=5kHz,）,不同激励下的磁钢涡流损耗及频谱图,永磁电机磁钢涡流损耗分析,38,永磁电机驱动系统,控制算法,基于,C,语言的,SVPWM,拟解决的问题：,电机驱动系统算法调试；,考虑,IGBT,行为特性与死区时间对电机转矩脉动的影响。,面向电机有限元模型联合仿真，研究突加、突卸复杂等工况电机内电磁瞬态过程和驱动系统瞬态过程。,39,旁路式混合励磁电机研发,混合励磁电机,与传统三相永磁电机相比，混合励磁电机更适合于宽转速范围运行，适合作为混合动力汽车与纯电动汽车驱动电机使用。设计方法目前尚未成熟，电机优化工作也较永磁电机复杂，其设计与优化研究成果不仅适用于各种混合励磁电机，也同样对传统永磁电机具有指导意义，因此对混合励磁电机设计、优化与分析具有重要的理论意义与现实意义。,40,旁路式混合励磁电机原理与结构,1-,导磁外壳,2-,定子,3-,电枢绕组,4-,前后电励磁端盖,5-,前后电励磁绕组,6-,轴承,7-,均磁环,8-,侧面凸极支架,9-,转子,10-,侧面凸极,11-,磁钢,助磁工况,弱磁工况,41,旁路式混合励磁电机原理与结构,弱磁工况磁力线,助磁工况磁力线,42,并联式混合励磁电机电感特性研究,电枢绕组,d,轴电感,43,并联式混合励磁电机电感特性研究,电枢绕组,q,轴电感,44,混合励磁电机电感特性研究,电励磁电流,-5A5A,永磁体,768kA/m(28UH),电流角,55,75,电枢绕组电感,电枢电流标幺值,0.6,电枢电流标幺值为,1,电枢电流标幺值为,1.35,45,混合励磁电机铁损预测,电机铁损是电机能量损失之一，直接影响电机效率与发热。在电动汽车等应用领域，电机转速范围大，电机内磁场在弱磁电流下畸变严重，电机铁损随弱磁深度的升高增加明显。车用电机工况变化频繁，电机效率从高效区范围大小与效率,MAP,分布角度进行评价。,定参数模型,变参数模型,46,混合励磁电机铁损预测,定参数模型参数拟合 变参数模型参数拟合,计算参数,数值,k,h,0.0233985 W/kg,k,e,5.90352e-005 W/kg,根据材料在,50,Hz,、,60,Hz,、,100,Hz,、,200,Hz,、,400,Hz,、,800,Hz,、,1000,Hz,频率下损耗数据确定铁损模型计算系数。,600Hz,47,混合励磁电机铁损预测,W/kg,w,48,虚位移法,混合励磁电机励磁调节与优化,混合励磁电机数学模型,自然坐标系,49,混合励磁电机励磁调节与优化,混合励磁电机数学模型,DQ,轴模型 标幺体系,在混合励磁电机中，采用电机永磁磁链、电机最大电流与基速作为标幺基值。采用永磁磁链作为标幺基准，电励磁磁链的标幺值等于电励磁调节系数。,50,混合励磁电机励磁调节与优化,不考虑铁损的电流规划,I,e,减小,最大转矩,/,电流控制轨迹,最大输出功率曲线,51,混合励磁电机励磁调节与优化,弱磁区功率最大的电励磁调节,1.,电励磁调节系数最小值由标幺电感确定。,2.,电机功率因数为,1。,电励磁调节系数受散热限制,52,混合励磁电机励磁调节与优化,最优转矩电流角与功率因数实验结果,53,混合励磁电机励磁调节与优化,考虑铁损的励磁电流规划,效率,MAP,电机计算效率,54,谢 谢 大 家！,中国科学院电工研究所,电动汽车技术研究发展中心,孔亮,