[发明专利]一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置

权利要求书

1.一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置，其特征在于：该装置包括：IGBT模块、主电路系统、小电流测试系统、水冷散热系统、控制系统、数据采集系统；IGBT模块置于水冷散热系统上，分别将主电路系统和小电流测试系统与IGBT模块进行连接；控制系统对IGBT1模块的栅极，以及水冷散热系统的电磁阀进行控制；数据采集系统实时的监测主电路的电流Ic、待测IGBT模块集射极电压Vce、待测IGBT模块壳温Tc数据；并且将测试电流下的Vce数据，自动带入K曲线，实时计算IGBT模块的结温Tj；

所述的IGBT模块，包括五个不同型号的IGBT模块，分别为IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4和IGBT5；大额定功率的IGBT1模块作为主电路的开关，选取大额定功率是为了保证开关的可靠性；相同型号小额定功率的IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5作为待测器件，保证实验的可对比性；

所述的主电路系统由电源V1，电阻R1，IGBT1，IGBT2，IGBT3，IGBT4，IGBT5组成；电源V1的端1连接电阻R1的2端，电阻R1的3端连接IGBT1的4端；IGBT2和IGBT3并联后的两个输出端，一端与IGBT1的5端连接，另一端与IGBT4的10端连接，IGBT4的11端与IGBT5的12端连接，IGBT5的13端与电源V1的18端连接；此电路连接方法中多个待测IGBT模块采用不同的串并联连接电路，实现同一主电路中多个IGBT模块具有不同的负载电流；流经IGBT2和IGBT3的电流为主电路电流的一半，流经IGBT4和IGBT5的电流等于主电路中的电流；

IGBT模块的导通功耗计算公式为

Pcond＝D·Ic·Vce(Ic)

＝D·Ic·{[Vce_25℃+KV(Tj-25℃)]+Ic·[rce_25℃+Kr(Tj-25℃)]} (1)

其中，D为开关时间的占空比，Ic为IGBT模块的负载电流，Vce(Ic)为IGBT模块的集射极电压，Vce_25℃为IGBT模块在25℃时的集射极电压，rce_25℃为IGBT模块在25℃时的导通电阻，KV为电压温度系数，Kr为电阻温度系数；

IGBT模块的结温Tj计算公式为

Tj＝Rth·Vce(Ic)·Ic+Tc

＝Rth·{{vce_25℃+KV(Tj-25℃)]+Ic·[rce_25℃+Kr(Tj-25℃)]}·Ic+Tc (2)

其中，Rth为IGBT的热阻，依据IGBT的数据手册获得不同实验条件模块的热阻，Tc为IGBT的壳温；

由公式(2)可知，IGBT的结温与IGBT的功耗以及水冷散热系统中水冷板的壳温Tc有关；

所述的水冷散热系统，包含五个水冷工位；每个工位配备有独立的电磁阀，可以依据IGBT模块的散热需求，独立控制每个水冷工位电磁阀的通断，进而控制冷却液的通断时间；

所述的控制系统，采用单片机进行控制，能够分别控制开关模块IGBT1和水冷散热系统电磁阀的通断；

所述的水冷散热系统；能够为多个IGBT模块提供冷却液进行散热；冷却液在圆形管道内进行强制对流传热，其对流换热系数a为

其中，λ为导热率，d为管道直径，u为液体流速，ρ为液体密度，μ为液体粘度，cp为比热容，n在流体被加热时为0.4，冷却为0.3；

依据对流换热系数公式判定，当其他参数一定时，α与u的0.8次方成正比，说明增大流速u有利于提高α；

当其它参数一定时，α与d的0.2次方成反比，说明减小管道直径d有利于提高α；

水冷散热系统的散热量Q公式为

Q＝a·A·(Tc-Tw) (6)

其中，Q为水冷板的散热量，单位W；a为对流换热系数，单位W/(m.℃)；A为导热面积，单位m²；Tc为水冷板温度即IGBT的壳温，单位℃；Tw为冷却液温度，单位℃；

由水冷散热系统的散热量公式可得，当其他参数一定时，Q与a成正比；因此，通过改变水冷散热系统中水冷板的管道直径d、液体流速u，来调节对流传热系数a，进而控制水冷散热系统的散热量，从而控制IGBT的壳温Tc。