电子器件损耗计算连载之---IGBT模块热损耗计算

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                                                                   正文

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（J_I）。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。

                                                       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。

                                               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。

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，P_{cond（IGBT）}为 IGBT 的通态损耗；u_CE（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：

式中，T_j 为结温；U_CE0（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：

式中，m 为调制系数；φ为相位差。

将上式整理，并且积分，可得：

（2）IGBT 开关损耗计算

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

式中，E_on（test）为测试条件下的开通能量；E_{off（test）}为测试条件下的关断能量；I_{Con（test）}为测试时的导通电流；I_{Coff（test）}为测试时的关断电流；I_Con 为实际开通相电流；I_Coff 为实际关断相电流；U_DC为直流母线电压；U_{DCon（test）}为测试 IGBT 导通时的母线电压；U_{DCoff（test）}为测试 IGBT 关断时的母线电压。E_on（test）、E_{off（test）}、I_{Con（test）}、I_{Coff（test）}、U_{DCon（test）}、U_{DCoff（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:

IGBT 的开关损耗可表示如下：

将上式整理，可得：

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：

式中，P_{cond（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：

式中，U_TO（Tj）为阈值电压；Tr（T_j）为二极管的正向电阻。

FWD 的导通时间函数可表示为：

将上式整理，并且积分，可得：

（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 E_rec 和开关频率 f_sw 有关。定义 E_rec 的时间跨度 t _Erec 从 UR 上升到其稳定值的 10%开始，I_RM 下降到稳定值的 2%结束。FWD 的反向恢复能量 E_rec计算公式如下：

式中，E_rec（I_test，T_j）为测试条件下 FWD 的反向恢复能量。

FWD 的开关损耗可表示为：

式中，Prr 为 FWD 的反向恢复损耗。

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