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【瑞森课堂】IGBT温度和功率损耗的估算
發布日期:2020-07-28     閱讀:26


​IGBT模块的损耗

IGBT模块的损耗源于内部IGBT和二极管(续流FWD、整流)芯片的损耗,主要是IGBT和FWD产生的损耗。

IGBT不是一个理想开关,体现在:

(1) IGBT在导通时有饱和电压– Vcesat

(2) IGBT在开关时有开关能耗–Eon和Eoff 这是IGBT产生损耗的根源。Vcesat造成导通损耗,Eon和Eoff造成开关损耗。导通损耗 + 开关损耗 = IGBT总损耗。


FWD也存在两方面的损耗,因为:

(1)在正向导通(即续流)时有正向导通电压:Vf

(2)在反向恢复的过程中有反向恢复能耗:Erec。Vf造成导通损耗,Erec造成开关损耗。导通损耗 + 开关损耗 = FWD总损耗。 


Vcesat,Eon,Eoff,Vf和Erec体现了IGBT/FWD芯片的技术特征。因此IGBT/FWD芯片技术不同,Vcesat,Eon,Eoff,Vf和Erec也不同。


IGBT模块的损耗-IGBT导通损耗

Vcesat和Ic的关系可以用左图的近似线性法来

表示:Vcesat = Vt0 + Rce×Ic

IGBT的导通损耗:

Pcond = d * Vcesat ×Ic,其中d 为IGBT的导通占空比 

IGBT饱和电压的大小,与通过的电流(Ic),

芯片的结温(Tj)和门极电压(Vge)有关。  


IGBT模块的损耗-IGBT开关损耗

IGBT之所以存在开关能耗,是因为在开通和关断的瞬间,电流和电压有重叠期。 


在Vce与测试条件接近的情况,Eon和Eoff可近似地看作与Ic和Vce成正比:

Eon = EON × Ic/IC,NOM × Vce/测试条件

Eoff = EOFF× Ic/IC,NOM× Vce/测试条件 


IGBT的开关损耗:Psw = fsw ×(Eon + Eoff) ,fsw为开关频率。 


IGBT开关能耗的大小与开关时的电流(Ic)、电压(Vce)和芯片的结温(Tj)有关。 


Eon 定义:10% Ic 到 2%Vce n

Eoff 定义:10% Vce 到 2%Ic


IGBT模块的损耗-FWD导通损耗

Vf和If的关系可以用左图的近似线性法来表示:

Vf = U0 + Rd ×If 


FWD的导通损耗:Pf = d * Vf ×If,其中d 为FWD的导通占空比 。


模块规格书里给出了FWD的正向导通电压的特征值:VF,及测试条件。 


FWD正向导通电压的大小,与通过的电流(If)和芯片的结温(Tj)有关。 


IGBT模块的损耗-FWD开关损耗

反向恢复是FWD的固有特性,发生在由正向导通转为反向阻断的瞬间,表现为通过反向电流后再恢复为反向阻断状态。 


在Vr与测试条件接近的情况,Erec可近似地看作与If和Vr成正比:

Erec = EREC ×If/IF,NOM × Vr/测试条件 

FWD的开关损耗:Prec = fsw×Erec,fsw为开关频率。 

FWD反向恢复能耗的大小与正向导通时的电流(If)、电流变化率dif/dt、反向电压(Vr)和芯片的结温(Tj)有关。


IGBT模块的损耗-小结

IGBT 

导通损耗:

(1)与IGBT芯片技术有关

(2)与运行条件有关:与电流成正比,与IGBT占空比成正比,随Tj升高而增加。

(3)与驱动条件有关:随Vge的增加而减小 

开关损耗

(1)与IGBT芯片技术有关

(2)与工作条件有关:与开关频率、电流、电压成正比,随Tj升高而增加。

(3)与驱动条件有关:随Rg的增大而增大,随门极关断电压的增加而减小。


FWD 

导通损耗:

(1)与FWD芯片技术有关

(2)与工作条件有关:与电流成正比,与FWD占空比成正比。 

开关损耗

(1)与FWD芯片技术有关

(2)与工作条件有关:与开关频率、电流、电压成正比,随Tj升高而增加。


IGBT模块的温度

Rthch值的换算:Rthch per arm = Rthch per module × n

Rthch per arm = Rthch_IGBT // Rthch_FWD

Rthha值的换算:Rthha per arm = Rthha×n

其中arm是一个桥臂单元(IGBT+FWD),n是模块内的桥臂单元数。

对于含整流桥的PIM,Rthch的换算可以按Rthjc之间的比例来算



IGBT模块的温度-小结

IGBT模块各个部分的温差T取决于

(1)损耗(芯片技术、运行条件、驱动条件);

(2)热阻(模块规格、尺寸) 


模块芯片的结温是各部分的温差和环境温度之和:Tj = ΔTjc +ΔTch +ΔTha + Ta

如果假设壳温Tc恒定,则Tj = ΔTjc + Tc;

如果假设散热器温度Th恒定,则Tj =ΔTjh + Th。 

IGBT的平均结温取决于平均损耗、Rthjc和壳温Tc。 

在实际运行时,IGBT的结温是波动的,其波动幅度取决于瞬态损耗和Zthjc,而Zthjc又和运行条件(如变频器输出频率)有关。 

IGBT的峰值结温为平均结温+波动幅值。


结论:

IGBT的结温(平均/峰值)和芯片技术、运行条件、驱动条件、IGBT规格、模块尺寸、散热器大小和环境温度有关。


IGBT模块的安全运行

安全运行的基本条件: 

温度:IGBT结温峰值 Tj_peak≤ 125C°(150C°*)

模块规格书给出了两个IGBT最高允许结温:

Tjmax = 150C°(150C°*)- 指无开关运行的恒导通状态下;

Tvj(max) = 125°(150C°*)- 指在正常的开关运行状态下。

Tvj(max)规定了IGBT关断电流、短路、功率交变(PC)所允许的最高结温。


* 600V IGBT3;1200V和1700V IGBT4;3300V IGBT3 n

短路时间:Vcc=2500V, Vge<=15V, Tvj=150°, Tp<=10us


其它:Vce ≤ VCES(即IGBT的电压规格)

Vge ≤VGES(±20V) Ic由RBSOA规定了在连续开关工作条件下,不超过2×IC,NOM。最小开通时间,等等。

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