IGBT模块的损耗doc.docx

1、IGBT模块的损耗docIGBT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-Vcesat2） 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：Vf2） 在反向恢复的过程中有反向恢复能耗：ErecoVf造成导通损耗，Erec造成开关损耗。导通损

2、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 + Rce x IcIGBT的导通损耗：Pcond 二 d * Vcesat x Ic,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：Vcesa

3、t,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=25C； 2) Tj=125Co 电流均为 Ic, nom (模块的标称电流)9 Vge二+15VIGBT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 x Ic/Iqnom x Vce/测试条件Eoff = Eoff x Ic/Iqnom x Vce/测试条件IGBT的开关损耗：Psw = fsw x （Eon + Eoff）,心涝开关频率。IGBT开关能耗的大小与开关时的电流（I

4、c）、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=25C； 2） Tj=125Co 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 + Rd x IfFWD的导通损耗：Pf = d * Vf x If,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

5、(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=25C； 2) Tj=125Co 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 = Erec x If/IFfNOM x Vr/测试条件FWD的开关损耗：Prec = fsw x Erec,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

6、)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=25C； 2) Tj=125Co 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。

7、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 ATjc 4-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：Rthjc per IGBT （每个IGBT开关）Rthjc per FWD （每个FWD开关）Rthch per IGBT （每个IGBT开关）Rt

8、hch per FWD （每个FWD开关） 或Rthch per module （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：Rthch per arm = Rthch per module x nRthch per arm = Rthch_IGBT / Rthch_FWDRthha值的换算：Rthha per arm = Rthha x n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IFCN AIM2007.09对于含整流桥的PIM, Rthc

9、h的换算可以按Rthjc之间的比例来算。梁知宏IFCN AIM2007.09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。T caseC25Q _Ln r2 r3瞬态热阻抗模型ZthJC : igbt|r.(KW: 0,00228 Isj: 0,0000110701NN 02Z000.0010.012 3 40.00683 0,06045 0,05

10、0440.0023M 0,02501 0.004990.1 1ts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 + ThoIGBT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（

11、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IFCN AIM2007.09页13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 (175C*)-指无开关运行的恒导通状态下；Tvj (max)二125C (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

12、； 1200V和1700V IGBT4； 3300V IGBT3电压：Vce Vces (SPIGBT的电压规格)Vge Vges (20V)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。45001r Ic. ModulIc, Chip2xlc?nom40035030015010050VCES250 2xk,nom can lead to IGBT failure (latch-up).In any case, it must be guara nteed that Vcechip Vces (dash line).Due to the stray inductance (Ls) between the module terminals and chip, it must be guara nteed that Vce. terminals VceS-dic/dtxLs (solid line).