瑞森課堂
【瑞森課堂】IGBT溫度和功率損耗的估算
作者：未知 發布日期：2021-01-28
IGBT模塊的損耗
IGBT模塊的損耗源於內部IGBT和二極管（續流FWD、整流）芯片的損耗，主要是IGBT和FWD產生的損耗。
IGBT不是壹個理想開關，體現在：
（1） IGBT在導通時有飽和電壓– Vcesat
（2） IGBT在開關時有開關能耗–Eon和Eoff 這是IGBT產生損耗的根源。Vcesat造成導通損耗，Eon和Eoff造成開關損耗。導通損耗 + 開關損耗 = IGBT總損耗。
FWD也存在兩方面的損耗，因為：
（1）在正向導通（即續流）時有正向導通電壓：Vf
（2）在反向恢復的過程中有反向恢復能耗：Erec。Vf造成導通損耗，Erec造成開關損耗。導通損耗 + 開關損耗 = FWD總損耗。
Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec體現了IGBT/FWD芯片的技術特征。因此IGBT/FWD芯片技術不同，Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec也不同。
IGBT模塊的損耗-IGBT導通損耗
表示：Vcesat = Vt0 + Rce×Ic
IGBT的導通損耗：
Pcond = d * Vcesat ×Ic，其中d 為IGBT的導通占空比
IGBT飽和電壓的大小，與通過的電流（Ic），
芯片的結溫（Tj）和門極電壓（Vge）有關。
IGBT模塊的損耗-IGBT開關損耗
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：
Eon = EON × Ic/IC,NOM × Vce/測試條件
Eoff = EOFF× Ic/IC,NOM× Vce/測試條件
IGBT的開關損耗：Psw = fsw ×(Eon + Eoff) ，fsw為開關頻率。
IGBT開關能耗的大小與開關時的電流（Ic）、電壓（Vce）和芯片的結溫（Tj）有關。
Eon 定義：10% Ic 到 2%Vce n
Eoff 定義：10% Vce 到 2%Ic
IGBT模塊的損耗-FWD導通損耗
Vf = U0 + Rd ×If
FWD的導通損耗：Pf = d * Vf ×If，其中d 為FWD的導通占空比 。
模塊規格書裏給出了FWD的正向導通電壓的特征值：VF，及測試條件。
FWD正向導通電壓的大小，與通過的電流（If）和芯片的結溫（Tj）有關。
IGBT模塊的損耗-FWD開關損耗
在Vr與測試條件接近的情況，Erec可近似地看作與If和Vr成正比：
Erec = EREC ×If/IF,NOM × Vr/測試條件
FWD的開關損耗：Prec = fsw×Erec，fsw為開關頻率。
FWD反向恢復能耗的大小與正向導通時的電流（If）、電流變化率dif/dt、反向電壓（Vr）和芯片的結溫（Tj）有關。
IGBT模塊的損耗-小結
IGBT
導通損耗：
（1）與IGBT芯片技術有關
（2）與運行條件有關：與電流成正比，與IGBT占空比成正比，隨Tj升高而增加。
（3）與驅動條件有關：隨Vge的增加而減小
開關損耗
（1）與IGBT芯片技術有關
（2）與工作條件有關：與開關頻率、電流、電壓成正比，隨Tj升高而增加。
（3）與驅動條件有關：隨Rg的增大而增大，隨門極關斷電壓的增加而減小。
FWD
導通損耗：
（1）與FWD芯片技術有關
（2）與工作條件有關：與電流成正比，與FWD占空比成正比。
開關損耗
（1）與FWD芯片技術有關
（2）與工作條件有關：與開關頻率、電流、電壓成正比，隨Tj升高而增加。
IGBT模塊的溫度
Rthch per arm = Rthch_IGBT // Rthch_FWD
Rthha值的換算：Rthha per arm = Rthha×n
其中arm是壹個橋臂單元（IGBT+FWD），n是模塊內的橋臂單元數。
对于含整流桥的PIM，Rthch的换算可以按Rthjc之间的比例来算
IGBT模塊的溫度-小結
IGBT模塊各個部分的溫差T取決於
（1）損耗（芯片技術、運行條件、驅動條件）；
（2）熱阻（模塊規格、尺寸）
模塊芯片的結溫是各部分的溫差和環境溫度之和：Tj = ΔTjc +ΔTch +ΔTha + Ta
如果假設殼溫Tc恒定，則Tj = ΔTjc + Tc；
如果假設散熱器溫度Th恒定，則Tj =ΔTjh + Th。
IGBT的平均結溫取決於平均損耗、Rthjc和殼溫Tc。
在實際運行時，IGBT的結溫是波動的，其波動幅度取決於瞬態損耗和Zthjc，而Zthjc又和運行條件（如變頻器輸出頻率）有關。
IGBT的峰值結溫為平均結溫+波動幅值。
結論：
IGBT的結溫（平均/峰值）和芯片技術、運行條件、驅動條件、IGBT規格、模塊尺寸、散熱器大小和環境溫度有關。
IGBT模塊的安全運行
安全運行的基本條件：
溫度：IGBT結溫峰值 Tj_peak≤ 125C°（150C°*）
模塊規格書給出了兩個IGBT最高允許結溫：
Tjmax = 150C°（150C°*）- 指無開關運行的恒導通狀態下；
Tvj(max) = 125°（150C°*）- 指在正常的開關運行狀態下。
Tvj(max)規定了IGBT關斷電流、短路、功率交變（PC）所允許的最高結溫。
* 600V IGBT3；1200V和1700V IGBT4；3300V IGBT3 n
短路時間：Vcc=2500V, Vge<=15V, Tvj=150°, Tp<=10us
其它：Vce ≤ VCES（即IGBT的電壓規格）
Vge ≤VGES（±20V） Ic由RBSOA規定了在連續開關工作條件下，不超過2×IC,NOM。最小開通時間，等等。
瑞森半導體
REASUNOS瑞森半導體起步於2007年，是壹家致力於功率半導體電子元器件研發與銷售的高新技術型企業。2013年註冊成立廣東瑞森半導體科技有限公司，總部設在東莞天安數碼城園區，同時設有張家港研發中心、臺灣研發中心、日本產品驗證中心，公司研發團隊主要來自臺灣、日本及內地頂尖技術精英。
瑞森半導體依靠專業的自主研發能力和強大的制造能力，已獲多項知識產權和實用新型專利，每年為行業提供了超500KK性能卓越的半導體產品，全系列產品符合RoHS、REACH環保要求，並通過第三方認證。現有產品包括高壓MOSFET，低壓MOSFET，超結MOSFET，集成快恢復（FRD）高壓MOS，碳化矽MOSFET，碳化矽肖特基，IGBT， Low VF肖特基及系列二、三極管，橋堆等，瑞森半導體已經成為全球開關電源、綠色照明、電機驅動、汽車電子、新能源充電樁、太陽能設備、數碼家電、安防工程等行業長期合作夥伴，產品遠銷國內外。
“成就客戶的成功”是瑞森堅守的商業原則，我們始終堅持主動了解客戶需求，通過不斷研發創新，竭誠為客戶提供綠色、節能、高效的功率半導體產品和解決方案，為客戶的成功提供強力支撐。展望未來，將緊密結合市場熱點，推出更有競爭力的產品和整體解決方案。
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