【瑞森课堂】IGBT温度和功率损耗的估算
作者：未知 发布日期：2020-07-28
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。
瑞森半导体
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