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IGBT模塊 | 功率損耗和溫度的估算

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– Vcesat2)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:Vf2)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導通損耗



IGBT的Vcesat-Ic特性曲線
 
Vcesat和Ic的關系可以用左圖的近似線性法來表示:
Vcesat = Vt0 + Rce x Ic
 
IGBT的導通損耗:
Pcond = d * Vcesat x 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 x Ic/IC,NOM x Vce/測試條件
Eoff = EOFF x Ic/IC,NOM x 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。
 
 
 
FWD導通損耗
 
 
FWD的Vf-If特性曲線
 
 
Vf和If的關系可以用左圖的近似線性法來表示:
Vf = U0 + Rd x If
 
FWD的導通損耗:Pf = d * Vf x If,其中d 為FWD的導通占空比
 
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。
 
 
 
FWD開關損耗
 
 
FWD的反向恢復
 
 
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 x If/IF,NOM x Vr/測試條件
 
FWD的開關損耗:
Prec = fsw x 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。

2
IGBT模塊的溫度
 
 
 
 
 
 
 
 



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 = △Tjc + △Tch + △Tha + Ta
如果假設殼溫Tc恒定,則Tj = △Tjc + Tc;
如果假設散熱器溫度Th恒定,則Tj = △Tjh + 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 ≤  125°C(150°C*)
Tjmax = 150°C(175°C*)- 指無開關運行的恒導通狀態下;
Tvj(max) = 125°C(150°C*)- 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
 
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2xIC,NOM。最小開通時間,等等