Abstract: Output torque of PMSM depends on output current of motor inverter. At starting stage, the peak of IGBT junction temperature will limit the output current at a lower level than in rated speed stage. Hence the motor is unable to output maximum torque at starting. In this paper, the relationship between inverter switching frequency and output current capability is studied, and a method that increases motor starting torque by lower switching frequency is presented.

Key words: IGBT power loss; Motor current; IPOSIM simulation tools; Electric vehicles

【中图分类号】TM464+.31  【文献标识码】B  文章编号1561-0330（2017）11-0000-00

1 引言

       永磁同步电机在启动到额定转速区间有着恒转矩特性即可持续输出最大转矩，而电机转矩与线电流成正比，因此也需要驱动电机的变频器能在0Hz到额定频率区间能够持续输出最大电流。然而，变频器在工作中存在这样的特点，其在开关频率和输出电流不变的条件下，低输出频率下的IGBT结温峰值要比高输出频率时高^[1]。也就是说变频器在电机低转速时最大电流输出能力是小于电机高转速时的。因此为了满足电机启动阶段的电流要求，必须选择更大电流输出能力的变频器。可是在电机转速上升频率提高后，变频器将具有更大的输出电流能力，而这时电机的转矩是恒定的，变频器这时更大的电流输出能力将无用武之地。

       而在电动汽车应用中尤其是城市公交车，经常处于满载甚至超载状态，而且城市道路中时有一些减速带或坑洼，这对电动公交车来说会面临满载起步和堵转两种严苛的工况。内燃发动机汽车配备的变速箱和摩擦式离合器或液力耦合变矩器可以使发动机提高转速从而传递给车轮更大转矩。而电动车电机是和车轮是定传动比固定连接，如果变频器无法在电机启动时提供峰值扭矩对应的电流输出，车辆的满载启动和爬坡脱困能力将受限，影响电动车的适用能力。

2 变频器中IGBT模块的发热功率与结温

       IGBT模块是变频器的核心功率器件，IGBT模块的芯片结温常常是变频器的电流输出能力的瓶颈。芯片的结温由散热器热阻和芯片发热量决定，散热器热阻我们不在本文展开讨论，我们只从芯片发热方面展开研究。

在电机驱动器应用中，IGBT模块的调整方法一般为SPWM或SVPWM，在同等开关频率和输出电流下，SPWM和SVPWM的损耗相差不大，因此本文以SPWM为例作为损耗计算的条件。

       IGBT模块内有IGBT芯片与FWD（Free Wheeling Diode）续流二极管芯片，它们的损耗都分为导通损耗和开关损耗两类，导通损耗为IGBT或FWD分别在正向流过电流状态下由导通压降产生的损耗。开关损耗则为IGBT在开通关断和FWD在反向恢复过程中产生的损耗。损耗功率计算方法在文献^[2]中有详细介绍，本文只介绍其公式推导的结果。

       IGBT导通损耗计算公式为：

3 IPOSIM简介

前面利用公式进行计算的方法，也可以使用英飞凌公司的IGBT损耗和结温计算工具IPOSIM来更简单的实现。IPOSIM工具有离线版和网页版两种，离线版是将以上公式集成到一个EXCEL文件中，并且附带了英飞凌大部分的IGBT模块模型数据（线性模型），用户只需将系统运行条件填入下图表格中，并选择相应的IGBT模块型号，IPOSIM就能将IGBT模块的结温和功耗计算出来。网页版IPOSIM采用更精确的非线性IGBT模型库，并由后台仿真软件计算，客户只需在网页上填入系统运行条件，即可得出计算结果。关于IPOSIM的使用方法，详见英飞凌官方网站，本文将不在此展开讨论。

通过IPOSIM仿真我们可以得到的IGBT芯片在输出电流有效值相同，频率从1Hz到50Hz变化时，IGBT芯片结温波动变化的情况，如图2所示。我们可以看到，输出频率较低时，比如1Hz，IGBT最高结温可达94℃，结温波动约为30℃，而当输出频率上升到50Hz时，最高结温约为75℃，结温波动不足3℃。因此，在低频输出时，我们要格外关注IGBT模块的结温峰值与结温波动。

对于上述现象，主要与散热介质的热特性有关。当热量在材料中传导中，既有热阻的影响也有热容的影响。如果芯片是持续稳定发热的，热传导回路中的热容将处于饱和状态，这时只有热阻产生作用。如果芯片的发热是波动的，这时热容将吸收和释放一定的热量，从而使芯片温度的波动幅度降低。

在变频器工作中，U、V、W三相的交流电流值轮流达到波峰和波谷，变频器的IGBT模块发热功率也是随电流波峰至波谷的变化而波动。当交流电流频率较高时电流换向速度较快，热容来不及饱和，这将使芯片结温波动幅度较小。反之电流频率较低时芯片结温波动幅度会较大。

4 通过调整开关频率降低IGBT发热功率

本文以英飞凌汽车级IGBT模块FF600R12ME4A_B11为例，使用IPOSIM进行仿真，对IGBT开关频率对结温的影响进行研究。以下我们以一种常见工况为例，当电动车启步加速时，电机满转矩输出，变频器输出电流为300A。当电机达到额定转速时开始匀速运行，此时对应变频器输出频率为200Hz，均速运行时转矩仅用于克服阻力，假设为10%转矩，因此变频器电流降为30A。整个加速过程变频器输出频率由0HZ逐渐增长到200kHz，变频器工况如表1所示。

下面我们用两种调制策略来进行启动加速过程的模拟。

策略1：开关频率恒定为10kHz，通过IPOSIM仿真出的结温波动及IGBT功耗分别如图3和表2所示。可以看到，在电机启动初期，续流二极管的瞬时结温可达150℃，对于FF600R12ME4C_B11来说，已经达到最高操作结温。随后结温回落至140℃，温度余量10℃。当电机进入恒功率运行范围内之后，温度余量会进一步增大。我们可以看到，电机启动初期的温度尖峰限制了变频器的输出电流，也就是限制了电动车的启动扭距。

因为在启动初期降低了开关频率，所以峰值结温较上一种工况明显降低，二极管最高结温不到130℃，温度余量为20℃。IGBT最高结温115℃，温度余量达35℃。因此，在这种开关频率策略下，如果希望充分利用温度余量，可以进一步提高将输出电流，即使提升启动扭矩成为可能。5kHz启动工况下IGBT模块的结温波动如图4所示。

 一般来说，载波比（IGBT开关频率与变频器输出频率之比）降低会导致变频器输出电流谐波变大。但是在电机启动阶段，变频器输出频率很低，因此在此阶段降低开关频率，载波比依然可以保持和高转速时同一水平。因此，在上述策略2中，当输出频率达到200Hz后，将开关频率切换回10kHz。这样既满足里低频启动时的大电流输出能力，也可满足电机在高频时对电流谐波的要求。

5 结论

       在电动车启动时，所需扭矩较大。对电机变频器来说，表现为输出频率低，输出电流大。如果这时采用标准的开关频率，会使IGBT模块结温在启动初期有一个较高的尖峰，这个温度尖峰限制了变频器输出的最大电流。通过以上分析，我们可以看到，如果在电动车启动初期，降低开关频率，能够大幅降低结温波动尖峰，提高温度余量，从而充分利用变频器的输出能力，提升电机驱动系统启动阶段的过载能力。并且在电机转速提高后，将开关频率提升，这样也不会导致电机驱动电流的谐波增加。

参考文献

[1]Christmann A, Thoben M, Mainka K. Reliability of Power Modules in Hybrid Vehicles [C]. PCIM Europe. Nuremberg: Mesago PCIM, 2009.

[2]D. Srajber, W. Lukasch: The calculation of the power dissipation for the IGBT and inverse diode in circuits with the sinusoidal output voltage [J]. Electronic ’92 Proceedings:51-58.

[3]Infineon Technical documentation: IPOSIM7.pdf [M/OL].

[4]Andreas Volke, Michael Hornkamp: IGBT Modules – Technologies, Driver and Applications [M]. ISBN: 978-3-00-040134-3.

[5]Infineon application note: AN2008-03 Thermal equivalent circuit models [M/OL].