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【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

 

Vcesat和Ic的關系可以用左圖的近似線性法來

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

 

IGBT之所以存在開關能耗,是因為在開通和關斷的瞬間,電流和電壓有重疊期。

 

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和If的關系可以用左圖的近似線性法來表示:

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

 

反向恢復是FWD的固有特性,發生在由正向導通轉為反向阻斷的瞬間,表現為通過反向電流後再恢復為反向阻斷狀態。

 

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值的換算:Rthch per arm = Rthch per module × n

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。

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