优化热分布 - 用于混合动力和电力驱动的逆变器

　　优化热分布

　　下文着眼于三相400a、600v逆变器模块中igbt和续流二极管的定位。在有基板模块情况下，每个半导体开关用了两个200a的igbt和两个200a的续流二极管，如图2所示。因此，一个完整相包括四个igbt和四个续流二极管。用于无基板模块的优化排列是每个开关有四个100a的igbt和两个200a的续流二极管（每相有八个igbt和四个续流二极管）。这意味着，无基板三相模块的基区面积比有基板模块的约大10%左右。

　　相比之下，带有8个100aigbt和2个续流二极管的无基板skim模块的布局为优化热分布和散热采用了面积较大的dbc陶瓷基板。逆变器运行时，产生导通和开关损耗，这意味着功率半导体成为一个本地热源。在三维有限元计算的帮助下，可以计算出任何给定运行状态下逆变器模块和散热器中的热传播，如图3所示。例如，当混合动力或电动车辆加速时，大部分功率损失是产生在igbt上的，而续流二极管承受较低的负载。

　　负载条件：电池电压=350v、输出电流=250a、输出电压=220v、输出频率=50hz、开关频率=12khz，相位角cosf=0.85，冷却介质温度=70℃。这就是为什么在热成像图中，igbt的位置呈现为一个强烈的热源。在有基板模块情况下，热量集中在三相配置的中心。由于半导体紧密的定位和相间的短距离，igbt的温度在这一点是最高的。虽然在此运行状态下，续流二极管只承受中等的负载，igbt导致模块中心的续流二极管显著升温。相比之下，逆变器模块边缘的二极管温度要低15℃。尽管有底板，逆变器模块边缘区域的功率半导体模块的温度要远远低于模块中心的，最终导致三相的非均匀热分布：中间相igbt的平均热负载几乎比边上两相的igbt的平均温度高10℃。igbt温度的最高值和最低值相差超过20℃。中间相限制了整个逆变器模块的可用电功率。这会有两个后果：一方面，不得不选择冷却条件和负载，这样中心dbc基板的温度不至于过高；另一方面，温度传导的损伤机理对中间相有较强的影响。这意味着为逆变器功率电路的设计工程师应始终把中间相的温度因素包括进去。

　　在无基板skim模块中，热分布要均匀得多：这里，igbt的位置也呈现为一个强烈的热源。然而，由于热损耗分布在几个位置上，dcb基板之间的距离更大，拥有更多的空间用于散热。所产生的损耗可有效地消散，减少igbt和二极管之间的相互加热。最佳散热也确保在不同相上的均匀负载分布：功率逆变器三相间的igbt和二极管温度是均匀的，所有三相的igbt平均温度几乎是相同的。igbt之间的最大温差不超过10℃。负载分布均匀，使可用的制冷功率得到最佳利用，从而有利于整个系统的设计。除此之外，每个绝缘dbc陶瓷基板上的温度传感器允许每相单独评估，提供了额外的对运行温度进行控制的可能性。