IGBT模块的损耗doc.docx
《IGBT模块的损耗doc.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《IGBT模块的损耗doc.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
IGBT模块的损耗doc
IGBT模块的损耗、温度和安全运行
■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+开关损耗二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：
Ereco
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的Vcesat-Ic特性曲线
Vcesat和Ic的关系可以用左图的近似线性法来表示：
Vcesat=VtO+RcexIc
■IGBT的导通损耗：
Pcond二d*VcesatxIc,其中N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。
■模块规格书里给出了IGBT饱和电压的
特征值：
Vcesat,及测试条件。
■英飞凌的IGBT模块规格书里给出了两
个测试条件下的饱和电压特征值：
1）Tj=25°C；2）Tj=125°Co电流均为Ic,nom（模块的标称电流）9Vge二+15V
■
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=EonxIc/IqnomxVce/测试条件
Eoff=EoffxIc/IqnomxVce/测试条件
■IGBT的开关损耗：
Psw=fswx（Eon+Eoff）,心涝开关频率。
■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。
■模块规格书里给出了IGBT开关能耗的特征值：
Eon,Eoff,及测试条件。
■英飞凌的IGBT模块规格书里给出了两个测试条件下的开关能耗特征值：
1）Tj=25°C；2）Tj=125°Co电流均为Ic,nom（模块的标称电流）。
■
FWD的Vf-If特性曲线
Vf和If的关系可以用左图的近似线性法来表示：
Vf=Uo+RdxIf
■FWD的导通损耗：
Pf=d*VfxIf,其中〃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。
■英飞凌的IGBT模块规格书里给出了两个测试条件下的正向导通电压特征值：
1）Tj=25°C；2）Tj=125°Co电流均为If,nom（模块的标称电流）。
FWD的反向恢复
■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=ErecxIf/IFfNOMxVr/测试条件
■FWD的开关损耗：
Prec=fswxErec,用说J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。
■模块规格书里给出了IGBT反向恢复能耗的特征值：
Erec,及测试条件。
■英飞凌的IGBT模块规格书里给出了两个测试条件下的反向恢复能耗特征值：
1）Tj=25°C；2）Tj=125°Co电流均为If,nom（模块的标称电流）。
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：
随血的增大而增大，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。
Tj=ATjc+ATch+ATha+Ta
温差（平均值）和热阻
Rthjc二ATjc4-损耗
Rthch=ATch-=-损耗
Rthha二ATha损耗总和或Rthhal,2二ATha-损耗1,2
模块规格书给出：
RthjcperIGBT（每个IGBT开关）
RthjcperFWD（每个FWD开关）
RthchperIGBT（每个IGBT开关）
RthchperFWD（每个FWD开关）或Rthchpermodule（每个模块）
热阻模型（稳态）
IGBT/FWD芯片尺寸越大，Rthjc值越小；模块尺寸越大，Rthch值越小；散热器越大，Rthha值越小。
Rthch值的换算：
Rthchperarm=Rthchpermodulexn
Rthchperarm=Rthch_IGBT//Rthch_FWD
Rthha值的换算：
Rthhaperarm=Rthhaxn
其中arm是一个桥臂单元（IGBT+FWD）,n是模块内的桥臂单元数
梁知宏
IFCNAIM
2007.09
对于含整流桥的PIM,Rthch的换算可以按Rthjc之间的比例来算。
梁知宏
IFCNAIM
2007.09
■当损耗以周期性脉冲形式（方波/正弦半波）存在时，模块表现出热容性，可用瞬态热阻抗Zthjc来表示。
■Zthjc是一个时间变量（瞬态损耗持续的时间）。
时间越长，Zthjc值越大。
Zthjc的最大值就是Rthjco
■结温Tj的波动幅度与Zthjc有关，Zthjc值越大，Tj的波动幅度就越大。
Tcase
C2
5
Q_L
nr2r3
瞬态热阻抗模型
ZthJC:
igbt|
r.（KW]:
0,00228I0,00001107
01
NN02Z
°000.001
0.01
234
0.006830,060450,05044
0.0023M0,025010.00499
0.11
t[s]
仿真结果：
变频器输出频率不同时，对应的IGBT结温。
■IGBT模块各个部分的温差AT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=ATjc+ATch+ATha+Ta
如果假设壳温Tc恒定,则Tj二ATjc+To；
如果假设散热器温度Th恒定，贝!
jTj=ATjh+Tho
■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。
梁知宏
IFCNAIM
2007.09
页13
安全运行的基本条件：
■温度：
IGBT结温峰值Tj_peak<125°C（150°C*）
模块规格书给出了两个IGBT最高允许结温：
Tjmax=150°C（175°C*）-指无开关运行的恒导通状态下；
Tvj（max）二125°C（150°C*）-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。
*600VIGBT3；1200V和1700VIGBT4；3300VIGBT3
■电压：
VceVge■电流：
由RBSOA规定了在连续开关工作条件下，不超过2xIc,nomo规格书中的RBSOA定义了IGBT所允许关断的最大电流。
450
°0
1
r
Ic.Modul
——Ic,Chip
2xlc?
nom
400
350
300
150
100
50
VCES
「250
<
-200
200400600800130012001400
Vce[V]f
梁知宏
IFCNAIM
2007.09
页14
RBSOAofA200A/1200VIGBTModule
■RBSOA一ReverseBiasedSafeOperationArea,isdefinedforIGBTturning-off.
■Forcontinuousswitchingoperation,IGBTisabletoswitchoffcurrents2xlc,nom・
■Continuouslyswitchingcurrent>2xk,nomcanleadtoIGBTfailure（latch-up）.
■Inanycase,itmustbeguaranteedthatVce^chip■Duetothestrayinductance（Ls）betweenthemoduleterminalsandchip,itmustbeguaranteedthatVce.terminals
升级会员 