IGBT模塊損耗、溫度與安全工作區(qū)

1、IGBT模塊損耗、溫度與安全工作區(qū)IGBT模塊的損耗：IGBT模塊由IGBT部分和FWD部分構(gòu)成，IGBT模塊的損耗源于內(nèi)部IGBT和反并聯(lián)二極管(續(xù)流FWD、整流)芯片的損耗，它們各自發(fā)生的損耗的合計(jì)即為IGBT模塊整體發(fā)生的損耗。另外發(fā)生的損耗可分為穩(wěn)態(tài)和交換損耗。如對上述內(nèi)容進(jìn)行整理可表述如下。IGBT欖塊單伉元 杵審總境生報(bào)耗(Ptotil)伐FWD部闍搦耗 (PFWT)収品體管制的損耗CPTr)穩(wěn)態(tài)搦耗IGBT欖塊單伉元 杵審總境生報(bào)耗(Ptotil)伐FWD部闍搦耗 (PFWT)収品體管制的損耗CPTr)穩(wěn)態(tài)搦耗(Past)交換損耗(PE美斷按耗(Poff)穏態(tài)禎耗(FF)開通損耗

2、(Pou)交換楨耗(反何恢亶換耗)(Prr)IGBT并不是一個(gè)理想開關(guān)，主要體現(xiàn)在:(1)IG BT在導(dǎo)通時(shí)有飽和電壓-Vcesat(2)IGBT在開關(guān)時(shí)有開關(guān)能耗-Eon和Eoff這是IGBT產(chǎn)生損耗的根源。Vcesat造成導(dǎo)通損耗，Eon和Eoff造成開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗+開關(guān)損耗=IGBT總損耗。FWD也存在兩方面的損耗，因?yàn)椋?1)在正向?qū)?即續(xù)流)時(shí)有正向?qū)妷海篤f ；(2 )在反向恢復(fù)的過程中有反向恢復(fù)能耗：Erec。Vf造成導(dǎo)通損耗，Erec造成開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗+開關(guān)損耗=FWD總損耗Vcesat，Eon，Eoff，Vf 和 Erec 體現(xiàn)了 IGBT/FWD 芯片的技術(shù)特

3、征。因此 IGBT/FWD 芯片技術(shù)不同，Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec也不同。IGBT的總損耗可分為靜態(tài)損耗和動(dòng)態(tài)損耗。其中靜態(tài)損耗包括通態(tài)損耗和斷態(tài)損耗；動(dòng)態(tài)損耗（開關(guān)損耗），包括開通損耗和關(guān)斷損耗。器件處于關(guān)斷時(shí)，器件中流過的電流約等于 零，電壓、電流乘積很小,可以忽略不計(jì)，因此計(jì)算靜態(tài)損耗的時(shí)候，可以不考慮斷態(tài)損耗。 我們平常所說的靜態(tài)損耗，一般是指通態(tài)損耗。IGBT模塊的損耗-IGBT導(dǎo)通損耗：IGBT開通后，工作在飽和狀態(tài)下,IGBT集射極間電壓基本不變，約等于飽和電壓Vcesat。IGBT通態(tài)損耗是指IGBT導(dǎo)通過程中，由于導(dǎo)通壓降Vcesat而產(chǎn)生的損耗。Vce

4、sat和Ic的關(guān)系可以用下圖的近似線性法來表示：Vcesat二VtO+Rce*IcIGBT的導(dǎo)通損耗：Pcond二d*Vcesat*Ic，其中d為IGBT的導(dǎo)通占空比。IGBT飽和電壓的大小，與通過的電流Ic，芯片的結(jié)溫Tj和門極電壓Vge有關(guān)。模塊規(guī)格書里給出了 IGBT飽和電壓的特征值：Vcesat，及測試條件。英飛凌的IGBT模塊規(guī)格書里給出了兩個(gè)測試條件下的飽和電壓特征值：（1）Tj=25度；（2 ） Tj=125度。電流均為Ic,nom（模塊的標(biāo)稱電流），VGE= + 15V。IGBT模塊的損耗-IGBT開關(guān)損耗：IGBT之所以存在開關(guān)能耗，是因?yàn)樵陂_通和關(guān)斷的瞬間，電流和電壓有重疊

5、期。隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗在整個(gè)器件損耗中的比例也變得比較大，開關(guān)損耗包括開通 損耗和關(guān)斷損耗兩部分。在給定環(huán)境條件下，器件導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)的能量損耗（焦耳）可以通 過間接地將電流和電壓相乘再對時(shí)間積分這種方法得到同時(shí)需考慮實(shí)際電流與參考電流之 間的差異。在Vce與測試條件接近的情況，Eon和Eoff可近似地看作與Ic和Vce成正比：=E on*1 c/Ic,NOM*Vce/ 測試條件Eoff=E off*1 c/Ic,NOM*Vce/ 測試條件IGBT的開關(guān)損耗：PSW=Fsw*（Eon+Eoff），fSW為開關(guān)頻率。IGBT開關(guān)能耗的大小與開關(guān)時(shí)的電流（Ic）、電壓（Vce ）和芯片的結(jié)

6、溫（Tj）有關(guān)。 模塊規(guī)格書里給出了 IGBT開關(guān)能耗的特征值：Eon，Eoff及測試條件。英飛凌的IGBT模塊規(guī)格書里給出了兩個(gè)測試條件下的開關(guān)能耗特征值：（1）Tj=25度；（2）Tj = 125度。電流均為IC,NOM（模塊的標(biāo)稱電流）。ro6030加100Uo網(wǎng)的壯-眩特性曲線IGBT模塊的損耗-FWD開關(guān)損耗：ro6030加100Uo網(wǎng)的壯-眩特性曲線IGBT模塊的損耗-FWD開關(guān)損耗：rJ廠fW/71 Q FViF反向恢復(fù)是FWD的固有特性，發(fā)生在由正向?qū)ㄞD(zhuǎn)為反向阻斷的瞬間，表現(xiàn)為通過反向電 流后再恢復(fù)為反向阻斷狀態(tài)。在V與測試條件接近的情況，Erec可近似地看作與If和V成正比

7、:Erec=E只已割/1際?！?測試條件FWD的開關(guān)損耗:Prec=f SW*Erec，fSW 為開關(guān)頻率。FWD反向恢復(fù)能耗的大小與正向?qū)〞r(shí)的電流（If ）、電流變化率dif/dt、反向電壓（Vr ）、 和芯片的結(jié)溫（Tj）有關(guān)。模塊規(guī)格書里給出了 IGBT反向恢復(fù)能耗的特征值：Erec，及測試條件。英飛凌的IGBT模塊規(guī)格書里給出了兩個(gè)測試條件下的反向恢復(fù)能耗特征值:（1）Tj=25度；（2）Tj = 125度。電流均為IF,NOM （模塊的標(biāo)稱電流）。IGBT模塊的損耗-小結(jié)：IGBT:導(dǎo)通損耗：(1)與IGBT芯片技術(shù)有關(guān) (2 )與運(yùn)行條件有關(guān)：與電流成正比，與IGBT占空比成正比

8、，隨Tj升高而增加。(3 )與驅(qū)動(dòng)條件有關(guān)：隨Vge的增加而減小開關(guān)損耗：(1)與IGBT芯片技術(shù)有關(guān)(2 )與工作條件有關(guān)：與開關(guān)頻率、電流、電壓成正比，隨Tj升高而增加。(3 )與驅(qū)動(dòng)條件有關(guān)：隨Rg的增大而增大，隨門極關(guān)斷電壓的增加而減小。FWD:導(dǎo)通損耗：（1）與FWD芯片技術(shù)有關(guān) （2 ）與工作條件有關(guān)：與電流成正比，與FWD占空比成正比。開關(guān)損耗：（1）與FWD芯片技術(shù)有關(guān)（2 ）與工作條件有關(guān)：與開關(guān)頻率、電流、電壓成正比，隨Tj升高而增加。系統(tǒng)總的損耗：單個(gè)IGBT總的損耗PTr為通態(tài)損耗與開關(guān)損耗之和單個(gè)反并聯(lián)二極管總的損耗PD為通態(tài) 損耗和開關(guān)損耗之和。以變頻器為例，系統(tǒng)總

9、的損耗Ptot為6個(gè)IGBT和6個(gè)二極管損耗 之和。IGBT的溫度可由下圖描述：外先-歌轉(zhuǎn)器熱 SRthch散熱器L環(huán)境）OthhaATchATjcATha + Ta壞境溫度IGBT的溫度可由下圖描述：外先-歌轉(zhuǎn)器熱 SRthch散熱器L環(huán)境）OthhaATchATjcATha + Ta壞境溫度AThfi輸入功率芯片 EbOthjc ?結(jié)溫Tj）芯片-外殼溫差 ATjc散熱器ATrh- 散拖度(Th)附總嘉! A1N）溫差（平均值）和熱阻關(guān)系如下式：Rthjc= ATjc 一 損耗Rthch= ATch 一 損耗Rthha= ATha 一損耗總和 或 Rthha1,2= ATha 一 損耗 1

10、,2模塊規(guī)格書給出：RthjcperIGBT （每個(gè) IGBT 開關(guān)） RthjcperFWD （每個(gè) FWD 開關(guān)）RthchperIGBT （每個(gè) IGBT 開關(guān)）RthchperFWD （每個(gè) FWD 開關(guān)） 或 Rthchpermodule （每個(gè)模塊）22IGBT/FWD芯片尺寸越大，Rthjc值越小；模塊尺寸越大，22IGBT/FWD芯片尺寸越大，Rthjc值越小；模塊尺寸越大，Rthch值越小；散熱器越大，Rthha值越小。ffthdC ZKthJG 1Rthch 值的換算：Rthchperarm = Rthchpermodule x nRthchperarm = Rthch_I

11、GBT/Rthch_FWDRthha 值的換算：Rthhaperarm = Rthhax n其中arm是一個(gè)橋臂單元（IGBT+FWD ）, n是模塊內(nèi)的橋臂單元數(shù)一個(gè)模塊一個(gè)橋臂單元一個(gè)模塊對于含整流橋的PIM，Rthch的換算可以按Rthjc之間的比例來算。（1）當(dāng)損耗以周期性脈沖形式（方波/正弦半波）存在時(shí)，模塊表現(xiàn)出熱容性，可用瞬態(tài)熱阻抗Zthjc來 表示。（2 ）Zthjc是一個(gè)時(shí)間變量（瞬態(tài)損耗持續(xù)的時(shí)間）。時(shí)間越長，zthjc值越大。Zthjc的最大值就是Rthjc。（3 ）結(jié)溫Tj的波動(dòng)幅度與Zthjc有關(guān)，Zthjc值越大，Tj的波動(dòng)幅度就越大。rsCiC2瞬態(tài)熱阻抗模型5十

12、旳電5HZ陥rsCiC2瞬態(tài)熱阻抗模型5十旳電5HZ陥1詞110 T21胖申 JT仿真結(jié)果：變頻器輸出頻率不同眛對 應(yīng)的IGBT模塊各個(gè)部分的溫差A(yù)T取決于：（1 ）損耗（芯片技術(shù)、運(yùn)行條件、驅(qū)動(dòng)條件）；（2 ）熱阻（模塊規(guī)格、尺寸）模塊芯片的結(jié)溫是各部分的溫差和環(huán)境溫度之和：Tj= ATjc+ A Tch+ ATha+Ta如果假設(shè)殼溫Tc恒定，則Tj= ATjc+Tc ；如果假設(shè)散熱器溫度Th恒定，則Tj= ATjh+Th。（1）IGBT的平均結(jié)溫取決于平均損耗、Rthjc和殼溫Tc。（2 ）在實(shí)際運(yùn)行時(shí),IGBT的結(jié)溫是波動(dòng)的，其波動(dòng)幅度取決于瞬態(tài)損耗和Zthjc，而Zthjc又和運(yùn)行條件

13、（如變頻器輸出頻率）有關(guān)。（3 ）IG BT的峰值結(jié)溫為平均結(jié)溫+波動(dòng)幅值。結(jié)論：IGBT的結(jié)溫（平均/峰值）和芯片技術(shù)、運(yùn)行條件、驅(qū)動(dòng)條件、IGBT規(guī)格、模塊尺寸、散熱器大小和環(huán)境 溫度有關(guān)。IGBT模塊的安全運(yùn)行安全運(yùn)行的基本條件：溫度：IGBT 結(jié)溫峰值 Tj_peak 125C （ 150C ）模塊規(guī)格書給出了兩個(gè)IGBT最高允許結(jié)溫：Tjmax=15O C （ 175C* ）-指無開關(guān)運(yùn)行的恒導(dǎo)通狀態(tài)下;Tvj（max） = 125 C （ 150C* ）-指在正常的開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)下。Tvj(max)規(guī)定了 IGBT關(guān)斷電流、短路、功率交變(PC )所允許的最高結(jié)溫。電壓：Vce VCES (即 IGBT 的電壓規(guī)格)，Vge 2其怯門。血 can lead to IGBT failure (latch-up.I