IGBT模块封装与车用变流器设计与验证

IGBT模块封装及车用变流器设计与验证中国科学院电工研究所电动汽车技术研究发展中心孔亮中科院电动汽车研究中心成立于1997年，从“九五”以来，承担了20余项国家、院、北京市和企业委托的电动汽车车用电机驱动系统等科技攻关课题，是国内重要电动汽车电气系统研发团队。中心拥有国内一流的电动汽车车用电气系统研发条件，包括电子电路实验室、环境试验室和动/静态功率试验台等。电工所电动汽车驱动技术研究发展中心中国科学院电工所电动汽车技术研究发展中心成立于1997年，主要研究方向为电动汽车用电机驱动系统，研发高功率密度车用电机及其驱动系统，开发高性能电机驱动算法，具有电机设计、控制器设计、控制算法开发及调试和驱动硬件的开发和调试能力。拥有国内一流的电动汽车电气系统研发条件。*高功率密度的驱动控制器技术掌握电力电子与温度场设计关键技术三维CAD设计技术功率循环和冷却实验车用高功率谜底驱动控制器研发中，针对三相全桥拓扑研究高性能IGBT驱动电路，掌握了风冷机水冷车用电机控制器的温度场仿真和设计技术。具备完整车用控制器功率循环和冷却实验条件。*电机温度场分析与设计机械强度分析3DCAD车用永磁电机设计技术电机电磁场分析与设计在车用永磁电机设计技术方面，以提高车用电机功率密度和转矩密度出发，研究结构紧凑、运行可靠的永磁同步电机，具备电机三维结构设计、精确的二维及三维电机电磁场分析与设计、全面的电机温度场分析与设计和机械强度分析与校核能力，从电磁、机械、温度三方面保证电机在车用领域中的可靠运行。目前研发电机中，最高转矩密度达到58Nm/dm3，21Nm/kg，最高功率密度大于5.8kW/kg。*电机:digitalvectorcontrolledIM最高车速:114km/h里程:>260km（50km/hcruise）电机功率:18kw/50kw车重:1575kg（No-load）1850kg（fullload）国家攻关项目(2000年)“九五”电机驱动主要工作实验室在九五期间与东风合作完成全数字化交流电机驱动系统的纯电动车，被评为九五国家重点科技攻关技术优秀科技成果。中国第一台燃料电池轻型客车(2001年)能源:PEMFC+LAWith30KWDC/DCconverter电机:27kWIMdrivesystem最高车速:60.2km/h 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 :7025mm 2225mm 2750mm重量:<5420kg（Noload）<5928kg（Fullload）“九五”电机驱动主要工作2001年完成我国首台燃料电池轻型客车。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”具有原始创新性十五以来实验室与一汽、北汽、长安东风等整车单位合作完成了多种用于纯电动及混合动力车辆的电机驱动系统，并参与完纯电动公交车的奥运示范运行。* 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。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 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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 坡道与北汽合作完成863基于双机械单口电机的深度混合动力汽车的研发，电机及其驱动系统满足了车辆装车及测试要求。*研究需求综合上述电动汽车实验的研发工作，我们在电机设计与分析、控制算法的研究与开发、车用电机控制器方法积累的丰富的研究经验，ansys公司旗下相关产品为实验室研究提供了有力的帮助。目前我们已从车用电机及其驱动系统的研发中逐渐继续进行IGBT模块封装技术研究——新领域、新技术、新知识——有力的仿真技术支持。*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”。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MILSTD、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�动静态参数测试仪热阻测试仪雪崩能量测试仪耐压测试仪温度冲击试验箱三综合试验箱振动测试仪功率循环测试仪门极反偏测试仪温度循环试验箱栅极反偏测试仪高温高湿反偏测试仪红外热像仪云纹测试仪X-RayCT超声波扫描电镜精密LCR表机械冲击试验箱可靠性测试失效分析特性参数测试按 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 该平台将在2012年全面搭建完成，可实现测试内容包括：特性参数测试、可靠性测试及失效分析。IGBT模块封装典型的IGBT模块结构包括：*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 耐冲击电磁力IGBT模块封装设计中主要进行电气特性、热特性和机械特性的仿真设计，由于在模块中各构件不仅提供电气连接、机械支撑，同时构成芯片的散热通道，因此需要进行面向多物理域设计目标的多维设计变量的优化设计。*基于simplorerFF1200R17KE3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%进行了基于IGBT行为模型的建模仿真工作，研究对象为英飞凌……，通过仿真分析其转移特性与伏安特性与datasheet具有较好的一致性。*基于simplorerFF1200R17KE3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 0.4Ω 0.45mH +17V，-13V 833HZ 93% 实验2 200V 400A 0.4Ω 0.45mH +17V，-13V 833HZ 93%搭建半桥测试电路对模型的开通及关断的瞬态电气特性进行了对比，原理图，实验台架，实验工况*基于simplorerFF1200R17KE3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）两个实验工况中，Vce及Ic具有较好的一致性*开通门极电压Vge波形（75V/170A）开通门极电压Vge波形（200V/400A）基于simplorerFF1200R17KE3模块的行为模型建模及实验验证驱动电压与实验值吻合度较高，Vge的米勒平台也具有较好的反应。*关断波形（75V/170A）基于simplorerFF1200R17KE3模块的行为模型建模及实验验证关断波形（200V/400A）在关断特性对比中，电压过程值具有较好的反应，但是上升斜率存在一定偏差，我们认为这是没有完全考虑实验电路中的杂散参数导致的。*基于simplorerFF1200R17KE3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）驱动电压的实验室也与仿真值具有较好的吻合度*IGBT模块热分析及热阻计算底面0℃，芯片发热损耗功率为30/50/50WANSYS静态热分析IGBT静态热特性分析在IGBT模块热阻分析及计算中，我们首先研究了以芯片为体热源的热仿真分析，研究IGBT芯片温度分布，及从结温至铜底板各层之间的温度变化，进行面向热耦合、热分布和最大温升的热场仿真。*IGBT模块热分析及热阻计算IGBT瞬态热特性分析但实际IGBT模块在运行过程中，开通关断损耗是igbt芯片损耗的主要部分，瞬态热分析中，将该过程进行平均化处理，研究模块的热阻抗特性，将损耗折算为方波。*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。根据对称性采用四分之一模型进行热电耦合分析。如果是简单的热阻发的热电耦合问题……，由于芯片等效电阻随控制电压变化所以……*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瞬态热仿真与静态热仿真在热分布上存在较大不同*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。对比了瞬态仿真值，静态仿真值和瞬态仿真稳态后的平均值，*ThermalimpedancecurveofIGBTchiptocasein400A600VIGBTmoduleAnalyticalfunctionfortransientthermalimpedance: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。 i 1 2 3 4 Ri[K/kW] 55.3 30.14 12 29.67 τi[ms] 31.05 1.448 12.34 42.89结壳温升研究热阻抗，模块热阻值与同规格英飞凌模块相近。*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Q3dIGBT模块均流分析中采用Q3d抽取杂散参数，考虑封装布局结构及其对杂散参数的影响*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ACIGBT芯片均流分析开通过程导通时小于10%电流尖峰17%IGBT芯片均流分析关断过程模块封装与实验基于国产IGBT芯片进行62mmIGBT模块的封装并进行实验。*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热分析中采用ICEPAK对散热底板进行热仿真，为后续热电耦合仿真打基础*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）集中绕组电机与整数槽分布绕组电机磁钢磁密分析。*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）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 1-segment(Pec=1.0p.u) 2-segment(Pec=0.783p.u.) 4-segment(Pec=0.387p.u.) 6-segment(Pec=0.212p.u.) 8-segment(Pec=0.13p.u.) 10-segment(Pec=0.086p.u.)基于磁路法研究磁钢内磁密变化采用多块磁钢降低涡流损耗涡流损耗与磁钢段数之间关系如下*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）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提出了一种涡流损耗的指标函数，由图可知集中绕组电机的损耗最高，而整数槽分布绕组的磁钢损耗最低通过增加磁钢段数，有效降低磁钢涡流损耗及温度*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由于在ansoft中仅能考虑空间谐波，但是由于开通和关断带来的电流谐波导致的涡流损耗并不能很好的反应，因此采用simplorer进行联合仿真。*(a)理想电流源激励下(b)脉宽调制激励下（fc=10kHz）(c)脉宽调制激励下（fc=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。从Matlab想simplorer移植*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。1.混合励磁电机继承了永磁电机与电励磁电机的优点，已用于汽车、飞机及航天领域；2.*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971110NNSSN极侧S极侧N极S极定子转子励磁线圈励磁线圈N极S极定子转子励磁线圈励磁线圈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并联式混合励磁电机电感特性研究电枢绕组d轴电感电枢反应进入电励磁旁路经过永磁体U1U1在旁路式混合励磁电机中，励磁旁路提供了新的磁路，因此电感计算与永磁电机存在较大不同,ansoft3维仿真结果验证了电枢磁势在旁路中建立了磁场*并联式混合励磁电机电感特性研究电枢绕组q轴电感ABAB电枢磁势没有在旁路中建立磁场*混合励磁电机电感特性研究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 电励磁电流 -5A~5A 永磁体 768kA/m(28UH) 电流角 55°~75°根据ansoft仿真结果计算d、q轴电感，由于电励磁磁场在旁路中的作用，d、q轴电感的饱和特性与永磁电机不同*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 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 。定参数模型变参数模型研究铁损模型*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根据 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 在50Hz、60Hz、100Hz、200Hz、400Hz、800Hz、1000Hz频率下损耗数据确定铁损模型计算系数。*600Hz 计算参数 数值 kh 0.0233985W/kg ke 5.90352e-005W/kg*混合励磁电机铁损预测W/kgw定子铁损密度及铁损分布*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*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。支出电励磁调节系数*混合励磁电机励磁调节与优化不考虑铁损的电流规划Ie减小最大转矩/电流控制轨迹最大输出功率曲线*电压限制圆圆心变化*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电压限制椭圆11.减小ke2.增加-id3.方法1与2同时采用iqid0电压限制圆电压限制椭圆圆心1电压限制椭圆圆心2A电压限制椭圆2MTPA初始弱磁过渡区单位功率因数控制区转速上升弱磁区恒转矩区控制策略不同，可以实现功率因数为1的控制（理论）*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*实验值*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*效率map预测优化*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中国科学院电工所电动汽车技术研究发展中心成立于1997年，主要研究方向为电动汽车用电机驱动系统，研发高功率密度车用电机及其驱动系统，开发高性能电机驱动算法，具有电机设计、控制器设计、控制算法开发及调试和驱动硬件的开发和调试能力。拥有国内一流的电动汽车电气系统研发条件。*车用高功率谜底驱动控制器研发中，针对三相全桥拓扑研究高性能IGBT驱动电路，掌握了风冷机水冷车用电机控制器的温度场仿真和设计技术。具备完整车用控制器功率循环和冷却实验条件。*在车用永磁电机设计技术方面，以提高车用电机功率密度和转矩密度出发，研究结构紧凑、运行可靠的永磁同步电机，具备电机三维结构设计、精确的二维及三维电机电磁场分析与设计、全面的电机温度场分析与设计和机械强度分析与校核能力，从电磁、机械、温度三方面保证电机在车用领域中的可靠运行。目前研发电机中，最高转矩密度达到58Nm/dm3，21Nm/kg，最高功率密度大于5.8kW/kg。*实验室在九五期间与东风合作完成全数字化交流电机驱动系统的纯电动车，被评为九五国家重点科技攻关技术优秀科技成果。2001年完成我国首台燃料电池轻型客车。十五以来实验室与一汽、北汽、长安东风等整车单位合作完成了多种用于纯电动及混合动力车辆的电机驱动系统，并参与完纯电动公交车的奥运示范运行。*与北汽合作完成863基于双机械单口电机的深度混合动力汽车的研发，电机及其驱动系统满足了车辆装车及测试要求。*综合上述电动汽车实验的研发工作，我们在电机设计与分析、控制算法的研究与开发、车用电机控制器方法积累的丰富的研究经验，ansys公司旗下相关产品为实验室研究提供了有力的帮助。目前我们已从车用电机及其驱动系统的研发中逐渐继续进行IGBT模块封装技术研究——新领域、新技术、新知识——有力的仿真技术支持。*按计划该平台将在2012年全面搭建完成，可实现测试内容包括：特性参数测试、可靠性测试及失效分析。典型的IGBT模块结构包括：*IGBT模块封装设计中主要进行电气特性、热特性和机械特性的仿真设计，由于在模块中各构件不仅提供电气连接、机械支撑，同时构成芯片的散热通道，因此需要进行面向多物理域设计目标的多维设计变量的优化设计。*进行了基于IGBT行为模型的建模仿真工作，研究对象为英飞凌……，通过仿真分析其转移特性与伏安特性与datasheet具有较好的一致性。*搭建半桥测试电路对模型的开通及关断的瞬态电气特性进行了对比，原理图，实验台架，实验工况*两个实验工况中，Vce及Ic具有较好的一致性*驱动电压与实验值吻合度较高，Vge的米勒平台也具有较好的反应。*在关断特性对比中，电压过程值具有较好的反应，但是上升斜率存在一定偏差，我们认为这是没有完全考虑实验电路中的杂散参数导致的。*驱动电压的实验室也与仿真值具有较好的吻合度*在IGBT模块热阻分析及计算中，我们首先研究了以芯片为体热源的热仿真分析，研究IGBT芯片温度分布，及从结温至铜底板各层之间的温度变化，进行面向热耦合、热分布和最大温升的热场仿真。*但实际IGBT模块在运行过程中，开通关断损耗是igbt芯片损耗的主要部分，瞬态热分析中，将该过程进行平均化处理，研究模块的热阻抗特性，将损耗折算为方波。*根据对称性采用四分之一模型进行热电耦合分析。如果是简单的热阻发的热电耦合问题……，由于芯片等效电阻随控制电压变化所以……*瞬态热仿真与静态热仿真在热分布上存在较大不同*对比了瞬态仿真值，静态仿真值和瞬态仿真稳态后的平均值，*结壳温升研究热阻抗，模块热阻值与同规格英飞凌模块相近。*IGBT模块均流分析中采用Q3d抽取杂散参数，考虑封装布局结构及其对杂散参数的影响*基于国产IGBT芯片进行62mmIGBT模块的封装并进行实验。*热分析中采用ICEPAK对散热底板进行热仿真，为后续热电耦合仿真打基础*集中绕组电机与整数槽分布绕组电机磁钢磁密分析。*基于磁路法研究磁钢内磁密变化采用多块磁钢降低涡流损耗涡流损耗与磁钢段数之间关系如下*提出了一种涡流损耗的指标函数，由图可知集中绕组电机的损耗最高，而整数槽分布绕组的磁钢损耗最低通过增加磁钢段数，有效降低磁钢涡流损耗及温度*由于在ansoft中仅能考虑空间谐波，但是由于开通和关断带来的电流谐波导致的涡流损耗并不能很好的反应，因此采用simplorer进行联合仿真。*从Matlab想simplorer移植*1.混合励磁电机继承了永磁电机与电励磁电机的优点，已用于汽车、飞机及航天领域；2.*在旁路式混合励磁电机中，励磁旁路提供了新的磁路，因此电感计算与永磁电机存在较大不同,ansoft3维仿真结果验证了电枢磁势在旁路中建立了磁场*电枢磁势没有在旁路中建立磁场*根据ansoft仿真结果计算d、q轴电感，由于电励磁磁场在旁路中的作用，d、q轴电感的饱和特性与永磁电机不同*研究铁损模型**定子铁损密度及铁损分布*支出电励磁调节系数*电压限制圆圆心变化*控制策略不同，可以实现功率因数为1的控制（理论）*实验值*效率map预测优化*