IGBT模块热损耗计算详解(电子器件损耗计算系列)

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IGBT 不仅具有 MOSFET 的输入阻抗髙、驱动电流小、工作速度快的优点,又具备了双极型功率晶体管的阻断电压高、通过电流大等特点, 在电力电子装置中应用广泛。IGBT 模块是电机控制器的核心功率器件,也是损耗最大的器件。在一个 IGBT 模块中集成了若干个 IGBT 芯片和 FWD(续流二极管)芯片,这些芯片在开通和关断时由于压降作用产生损耗。

IGBT 模块的损耗是电机控制器的主要热量来源,计算 IGBT 模块的损耗是计算其结温及温度场仿真的基础和必要条件,因此必须详细分析 IGBT 模块的损耗机理,并进行准确的计算。

IGBT 的内部结构示意图如下图 a 所示,与 MOSFET 相比,IGBT 就是在MOSFET的漏极下增加了一个 P+区,多了一个 PN 结(JI)。IGBT 的等效电路如下图 b 所示,实际上它是一个以 MOSFET 为驱动元件,GTR 为主导元件的达林顿电路结构器件。IGBT 的开通和关断受栅极控制,当 IGBT 的栅极施加正向偏置电压时,MOSFET 开通,进而使 IGBT 开通;当 IGBT 的栅极施加反向偏置电压时,IGBT 截止。

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图5

IGBT 内部结构、等效电路

在 IGBT 模块中,通常会在 IGBT 两端反向并联一个二极管,称为 FWD(续流二极管)。它的作用是在电路中电压或电流出现突变时,对电路中其它元件起保护作用,避免激起高压损坏 IGBT。本文所用 IGBT 模块采用三相桥电路,三相桥模块的内部等效电路如图 a 所示,图 b 为 IGBT 的电气符号。

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图6

IGBT 模块三相桥等效电路与 IGBT 电气符号


由 IGBT 模块三相桥等效电路可知,每个 IGBT 模块都包括 U、V、W 三相,且 U、V、W 的每一相都由上下两个半桥臂组成。IGBT 模块中的 IGBT 单元和 FWD单元主要工作在开关状态,在每个开关状态中,都会产生动态损耗和静态损耗,IGBT 模块的损耗组成如下图所示。

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图7


IGBT 模块损耗组成

IGBT 单元损耗计算

IGBT 芯片的功率损耗主要来自于两个方面:一是,在饱和开通状态下通态电阻产生的损耗;二是,在开关过程中电流电压不同步引起的功耗。

1)IGBT 通态损耗计算

通态损耗的产生是由于 IGBT 在导通过程存在饱和压降而产生的损耗,与导通压降、结温、电流、占空比有关。IGBT 在一个正弦周期内的平均通态损耗计算公式如下:

式中,Pcond(IGBT)为 IGBT 的通态损耗;uCE(t)为 IGBT 的导通压降;i(t)为负载电流;τ(t)为 IGBT 的导通时间函数;T为调制周期。

IGBT 在导通时的负载电流函数与压降函数可表示为:

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图9

式中,Tj 为结温;UCE0(Tj)为阈值电压;r(Tj)为通态斜率电阻。

导通时间函数 τ(t)可表示为:

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图10

式中,m 为调制系数;φ为相位差。

将上式整理,并且积分,可得:

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图11



2)IGBT 开关损耗计算

IGBT 的开关损耗与开通能量 Eon、关断能量 Eoff和开关频率 fsw有关。开通能量 Eon为单个集电极电流脉冲开通时 IGBT 产生的损耗,定义Eon的时间跨度 tEon从 IC 上升到正常值的 10%开始,UCE下降到正常值的 2%结束。关断能量 Eoff 为单个集电极电流脉冲关断时 IGBT 产生的损耗,定义Eon的时间跨度 t EoffUCE上升到正常值的 10%开始,IC下降到正常值的 2%结束。IGBT 的开通能量Eon与关断能量 Eoff的计算公式如下:

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图12

式中,Eon(test)为测试条件下的开通能量;Eoff(test)为测试条件下的关断能量;ICon(test)为测试时的导通电流;ICoff(test)为测试时的关断电流;ICon 为实际开通相电流;ICoff 为实际关断相电流;UDC为直流母线电压;UDCon(test)为测试 IGBT 导通时的母线电压;UDCoff(test)为测试 IGBT 关断时的母线电压。Eon(test)、Eoff(test)、ICon(test)、ICoff(test)、UDCon(test)、UDCoff(test)这些参数可以从 IGBT 的说明书上查取。如果 IGBT的开关周期很小,相电流基波电流基本上等于开关周期内的相电流,即:电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图13

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图14

IGBT 的开关损耗可表示如下:

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图15

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图16

将上式整理,可得:

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图17

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图18

FWD 单元损耗计算


FWD 在正向导通时产生通态损耗,在反向恢复时产生反向恢复损耗。

(1)FWD 通态损耗计算

FWD 的通态损耗计算方法与 IGBT 通态损耗类似,FWD 在一个正弦周期内的平均损耗可表示如下:

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图19

式中,Pcond(FWD)为 FWD 的通态损耗;u F(t)为 FWD 的正向压降;i F(t)为 FWD的正向电流;τ‘(t) 为 FWD 的导通时间函数;T 为调制周期。

FWD 的正向电流函数与正向压降函数可表示为:

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图20

式中,UTO(Tj)为阈值电压;Tr(Tj)为二极管的正向电阻。

FWD 的导通时间函数可表示为:

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图21

将上式整理,并且积分,可得:

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图22

(2)FWD 开关损耗计算

在实际应用中,与 FWD 的关断损耗相比,FWD的开通损耗极小,可忽略不计。故本文着重计算 FWD 的关断损耗,也称为反向恢复损耗。FWD 的反向恢复损耗与反向恢复能量 Erec 和开关频率 fsw 有关。定义 Erec 的时间跨度 t Erec 从 UR 上升到其稳定值的 10%开始,IRM 下降到稳定值的 2%结束。FWD 的反向恢复能量 Erec计算公式如下:电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图23

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图24

式中,Erec(Itest,Tj)为测试条件下 FWD 的反向恢复能量。

FWD 的开关损耗可表示为:电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图25

电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算的图26

式中,Prr 为 FWD 的反向恢复损耗。

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