充电机功率模块IGBT功率损耗及温升研究

王旭海;崔启超

【摘 要】电力机车充电机模块是机车辅助变流系统中一个重要的组成模块单元.800 V等级充电机模块IGBT电压等级为l 700v,开关频率高,对IGBT功能和温升有很大影响,因此,对单只IGBT和双管并联IGBT进行了功率损托及温升计算、仿真及实验,并将研究成果引用到充电机功率模块中. 【期刊名称】《机械管理开发》 【年(卷),期】2017(032)004 【总页数】3页(P56-58) 【关键词】充电机;功率损耗;温升 【作 者】王旭海;崔启超

【作者单位】中国中车大同电力机车有限公司技术中心,山西大同037038;中国中车大同电力机车有限公司技术中心,山西大同037038 【正文语种】中 文 【中图分类】TM46

电力机车充电机模块是机车辅助变流系统中的一个重要组成模块单元，担负着为车载蓄电池充电和提供稳定的110V机车电源的重任。中车大同电力机车有限公司生产的电力机车充电机模块，其输入电压等级多为600 V，同时也有800 V等级，所选用IGBT电压等级有1 200 V和1 700 V等级，开关频率高对功耗和温升有很大影响。

1.1 电路的拓扑结构

半桥式逆变电路作为充电机主电路拓扑，其拓扑结构如图l所示。

充电机电路是由单相逆变电路、高频变压器和全波整流器等组成，其功率为14 kW。将DC720V的中间电压通过单相半桥逆变电路和高频变压器,变为AC 141 V/10 kHz的高频交流电压，再经过全波整流和滤波变为稳定的DC 110 V的直流电压，为蓄电池充电或为控制电路提供工作电源。 1.2 IGBT器件

主电路中的中间直流电压为720 V（±5%），主电路选用的是半桥电路，所以IGBT在关断时，GE两端的压降即为输入电压，所以输入电压的范围为684～756 V，考虑到2倍的电压裕量即 756×2= 1 512 V，因此选用1 700 V的IGBT。变压器次边电流Is为130 A，根据变压器匝数比关系，可算得变压器原边电流为I=57 A，考虑到2.5倍的安全裕量和高频降额使用，因此选用300A/1 700V的IGBT双管。

2.1 双管IGBT单模块损耗

IGBT通态损耗35W，IGBT开关损耗512W。双管损耗合计1 094W。 2.2 双管IGBT双模块并联损耗

IGBT通态损耗13.5W，IGBT开关损耗299W，单个IGBT总损耗312.5W，双管IGBT模块损耗合计625W。两个双管IGBT模块并联时总的热损耗为1250W。 2.3 IGBT实物测试

2.3.1 双管IGBT单模块损耗

对IGBT进行实测，输入电压Vdc=720 V，电流Ic=60 A，导通电阻

Rg_on=2.7Ω，关断电阻Rg_off=2.7Ω，门极电容Cg=47 nF，实测IGBT开通、关断损耗及二极管恢复损耗如下页图2、图3、图4所示。 实测单个IGBT总损耗=443.2W，总损耗为886.4W。

2.3.2 双管IGBT双模块并联损耗

输入电压Vdc=720 V，电流Ic=30 A，导通电阻Rg_on=2.7Ω，关断电阻Rg_off=2.7Ω，门极电容Cg=47nF。

实测单个IGBT总损耗为2W，单个双管IGBT模块总损耗为2W×2=508W。 双管IGBT模块双并联时总损耗为1 016W。

从结果来看，不管是功率损耗计算还是IGBT实物测试，双管单模块并功耗比双管单模块总损耗增加15%。 3.1 双管IGBT单模块温升研究

IGBT结到壳的温升为IGBT_ΔT=31℃，二极管结到壳的温升为DIODE_ΔT=24℃，模块壳到散热的温升为M_ΔT=7℃，IGBT温升为ΔT=7+31= 38℃，散热器表面允许最大温升为：47℃（环境温度为40℃计算）。 3.2 双管IGBT双模块并联温升研究

IGBT结到壳的温升为IGBT_ΔT=16.5℃，二极管结到壳的温升为DIODE_ΔT=15℃，模块壳到散热的温升为M_ΔT=4℃，IGBT温升为ΔT=4+16.5= 20.5℃，散热器表面允许最大温升为65℃（环境温度为40℃计算）。

3.3 风冷散热器热阻仿真分析

模块采用风冷散热，风速为0.5m2/s，对双管单模块和双管双模块并联的风冷散热仿真，如图5、图6所示。

根据图5所示进口温度55℃，流量0.5m3/s，板面最高温度为109.884℃，因而IGBT最高温度为109.884+ΔT=147.884℃，其中ΔT为IGBT温升，IGBT最大结温为l50℃。从仿真结果来看，显然不能満足IGBT结温。

图6所示进口温度55℃，流量0.5m3/s，板面最高温度94.406℃，IGBT最高温度94.406+ΔT= l14.906℃。从仿真结果来看，可以满足IGBT结温需要。虽然双

管单模块并功耗比双管单模块总损耗增加了15%，但考虑到IGBT温升因素，本充电机功率模块采用双管单模块并联结构。

对充电机模块进行实际温升试验，在IGBT模块和风冷散热器接触表面上，埋PT100温度传感器，测得IGBT温升数据如下页表1所示。

从试验数据得知，IGBT温升最大值为23℃，而根据功率损耗计算，IGBT温升为20.5℃。

从计算和试验结果看充电功率模块采用IGBT并联结构，满足模块的需求。