驅(qū)動(dòng)控制器（MCU）的核心部件主要是功率模塊（IGBT），其在驅(qū)動(dòng)汽車加速或大扭矩時(shí)溫度上升非常迅速，故有必要對(duì)模塊的溫升及驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究，以確保模塊能夠穩(wěn)定工作、提高其工作壽命。

1  功率模塊與冷卻系統(tǒng)介紹

1.1  驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷卻原理介紹

新能源汽車動(dòng)力總成部分由傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)更改為新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，其扭矩響應(yīng)迅速、溫度上升周期快，功率元器件溫度上升對(duì)其壽命也有損害、對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率有影響，故對(duì)驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有很高的要求。如圖1所示為某款新能源汽車?yán)鋮s系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)由冷卻水泵作為冷卻系統(tǒng)循環(huán)的動(dòng)力源，通過傳感器對(duì)各零部件采樣的溫度值來調(diào)控水泵的占空比，以控制水泵的輸出能力，通過冷卻系統(tǒng)帶走各部件的發(fā)熱量；尤其是功率模塊組件驅(qū)動(dòng)控制器，由于驅(qū)動(dòng)扭矩對(duì)其溫升非常敏感，故對(duì)冷卻系統(tǒng)的需求也非常嚴(yán)格。



1.2  汽車用功率模塊介紹

汽車驅(qū)動(dòng)用模塊IGBT中文名為絕緣柵雙極型晶體管，它是由MOSFET（輸入級(jí)）和PNP晶體管（輸出級(jí)）復(fù)合而成的一種器件。一般功率模塊本身熱容量非常小，對(duì)溫度吸收能力有限。如圖2所示，通常IGBT的熱量通過DCB（一種復(fù)合型板材）傳到基板上，然后通過散熱器或PINFIN結(jié)構(gòu)散熱，而NTC（模塊內(nèi)部溫度測(cè)量電阻）只能通過采集DCB的溫度間接采集模塊芯片的溫度，當(dāng)模塊溫度快速變化時(shí)可能會(huì)因?yàn)镹TC無法及時(shí)反饋模塊的溫升而無法對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。本文選取某廠家的HP2型號(hào)帶PINFIN結(jié)構(gòu)功率模塊IGBT進(jìn)行分析研究。



功率模塊損壞的原因通常有過流、過壓及過溫，過溫通常是由于功率器件本身無法及時(shí)保護(hù)或外部冷卻系統(tǒng)異常導(dǎo)致。當(dāng)前汽車用IGBT模塊散熱方式主要為液冷方式。根據(jù)上述模塊本身溫升特性，對(duì)冷卻系統(tǒng)的保護(hù)要求需具備一定的策略：當(dāng)模塊負(fù)荷不同時(shí)其溫升上升周期不同，模塊本身傳感器溫度采集及反饋均需一定周期；同時(shí)，因水泵啟動(dòng)、管路水阻及散熱器啟動(dòng)等因素，實(shí)際從水泵接收信號(hào)到冷卻系統(tǒng)正常進(jìn)行冷卻循環(huán)需一定周期。故分析IGBT模塊負(fù)荷與溫升周期關(guān)系，對(duì)功率模塊溫升研究具有重要意義，同時(shí)可為整車?yán)鋮s系統(tǒng)保護(hù)策略積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

2  功率模塊IGBT溫升分析

2.1  IGBT模塊溫升仿真分析

根據(jù)某款新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)——扭矩280Nm、電流660A，分別在環(huán)境溫度25℃和65℃、有水無循環(huán)及有水無循環(huán)堵轉(zhuǎn)工況下進(jìn)行功率模塊的某軟件的溫升仿真分析：

1）HP2模塊為PINFIN散熱結(jié)構(gòu)，仿真時(shí)在無水循環(huán)時(shí)熱阻約0.4K/W，比正常水循環(huán)時(shí)大很多，并且熱容很小，容易造成模塊過熱損壞。



2）HP2模塊內(nèi)的NTC只能間接測(cè)量IGBT芯片的溫度，并且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、約10s多，通過NTC保護(hù)IGBT存在保護(hù)不及時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。仿真結(jié)果如圖3所示，具體仿真數(shù)據(jù)及條件如表1所示。



2.2  驅(qū)動(dòng)控制器溫升測(cè)試

測(cè)試條件：

驅(qū)動(dòng)器測(cè)試時(shí)水道注入冷卻液不開啟水泵，將電機(jī)與控制置于環(huán)境倉內(nèi)，環(huán)境倉溫度設(shè)置為25℃/65℃，保溫2h后開始試驗(yàn)；之后繼續(xù)保持環(huán)境倉在25℃/65℃下，分別進(jìn)行有水無循環(huán)及有水無循環(huán)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。臺(tái)架測(cè)試時(shí)使用驅(qū)動(dòng)器整機(jī)進(jìn)行溫升測(cè)試，對(duì)IGBT溫升實(shí)際只能采集NTC溫升，對(duì)節(jié)溫?zé)o法直接測(cè)量。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4測(cè)試數(shù)據(jù)中，考慮測(cè)試臺(tái)架本身的冷卻能力及為保護(hù)模塊不受損壞，實(shí)際溫升閾值設(shè)置為95℃。為了評(píng)估仿真和臺(tái)架測(cè)試精準(zhǔn)度，將表2中IGBT溫升按照表1溫升數(shù)值評(píng)估，對(duì)應(yīng)響應(yīng)時(shí)間為Ts。



將表1仿真數(shù)據(jù)T和表2臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)估

值Ts進(jìn)行柱狀圖對(duì)比，如圖5所示。可知，兩者差異很小，這表明臺(tái)架實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)即可代表IGBT模塊溫升時(shí)間。



將表1仿真數(shù)據(jù)T和表2臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)估值Ts進(jìn)行柱狀圖對(duì)比，如圖5所示?？芍?，兩者差異很小，這表明臺(tái)架實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)即可代表IGBT模塊溫升時(shí)間。



3  驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷卻循環(huán)控制策略

IGBT的溫升保護(hù)整車控制會(huì)制定相應(yīng)的控制策略。根據(jù)圖1可知驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)常用的控制策略路徑如圖6所示，整車啟動(dòng)后實(shí)時(shí)采集MCU模塊溫度Tm，通過實(shí)時(shí)溫度與設(shè)置的模塊保護(hù)溫度閾值TP（TP1、TP2、TP3分別代表不同溫度保護(hù)閾值）比較后相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作——水泵開啟、風(fēng)扇開啟、水泵風(fēng)扇同時(shí)開啟，以達(dá)到保護(hù)模塊需求。



IGBT模塊溫度傳感器NTC采集到溫度值周期T1—溫度信息報(bào)文上報(bào)can網(wǎng)絡(luò)周期（也稱can通訊周期）T2—整車發(fā)送風(fēng)扇、水泵等開啟命令周期T3—水泵開啟至正常循環(huán)周期T4，故整車常用冷卻系統(tǒng)的控制周期ΔT=T1+T2+T3+T4，可知溫度保護(hù)控制周期為ΔTp=T2+T3+T4，如圖7所示。通常T2、T3及T4相對(duì)較固定，所以T1溫升周期對(duì)冷卻系統(tǒng)策略的制定起到重要的作用。

鑒于本文對(duì)模塊的仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致的情況，可將模塊的仿真溫升結(jié)果作為分析依據(jù)。為能夠及時(shí)或提前對(duì)模塊進(jìn)行保護(hù)，一般控制要求ΔTp小于ΔT，否則當(dāng)模塊達(dá)到溫度限值時(shí)由于冷卻不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致模塊受損。因此，可對(duì)模塊實(shí)時(shí)采樣溫度加入補(bǔ)償溫度T（具體補(bǔ)償溫度值T本文不做研究），從而使模塊能夠提前發(fā)送溫度保護(hù)命令，使整個(gè)冷卻系統(tǒng)提前進(jìn)入保護(hù)：這對(duì)IGBT模塊的溫升保護(hù)具有重要意義。

4  結(jié)論

本文通過對(duì)某型號(hào)IGBT模塊單件溫升仿真及臺(tái)架測(cè)試分析，認(rèn)為模塊仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致；同時(shí)結(jié)合整車?yán)鋮s系統(tǒng)的控制策略，提出一種對(duì)模塊采集溫度加入補(bǔ)償
值作為判斷冷卻系統(tǒng)提前進(jìn)入保護(hù)的控制方法：為IGBT溫度保護(hù)及整車?yán)鋮s系統(tǒng)的策略制定等提供參考依據(jù)。