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最完整的开关电源培训教程(北京交大)

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最完整的开关电源培训教程(北京交大)      
     

开关电源开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。  


来源:电力电子技术与新能源
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首次发布时间:2024-05-10
最近编辑:6月前
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IGBT的损耗计算和结温估计

摘要IGBT模块在选用前需进行热仿真,以评估使用条件是否超过其额定值。仿真输入涵盖电压、频率、功率因数、调制比、输出电流、冷却条件等。总损耗计算涉及IGBT和Diode的导通、开关损耗,其中开关损耗需通过规格书或实验获取。结温估算基于稳态模型,需考虑热阻及引线电阻的损耗。尽管计算基于平均损耗,但输出电流的波动在实际使用中会导致损耗和结温的波动,尤其在低频下更显著。正文 IGBT模块使用过程中,标的电流意义有限,需要充分参考使用条件。于是,工程师在选用一个模块之前,会做一个热仿真,估计一下是否超额使用。一般的模块厂商也会提供这么一个仿真模型,可做粗略的仿真计算。今天就来讨论一下IGBT的热计算需要哪些东西。 仿真输入 一般,仿真之前,模块厂商需要客户提供下边的资料作为输入:直流电压DC-Link Voltage;开关频率fsw功率因数调制比m输出电流大小输出电流频率冷却条件(水冷则是入水口温度和流量)还有最重要的datasheet,模块资料总损耗 首先,咱先算一个输出周期平均损耗Pav,average total dissipation,包含IGBT和二极管的导通损耗Pcond和开关损耗Psw,公式如下: 再看下图,做个铺垫: 在正弦电流的前半个周期,上管的IGBT和下管的Diode有电流,上图红色表示;后半个周期则是上管Diode和下管IGBT通电流,上图蓝色表示;因此每个电流周期,IGBT和Diode均只有一半周期在工作。IGBT的损耗 a. IGBT导通损耗: i(t)是逆变器的正弦输出电流 Vce是导通压降,不同电流下的导通压降根据datasheet中的输出特性曲线得出,近似公式如下: IGBT开通时τ’(t)=1,关断时,该值为0,实际上它是IGBT的占空比,这里可以用时间t、调制比m、和相角的函数近似代替,即由锯齿波与参考正弦的交叉获取,这里假设开关频率无穷大,参见下边公式: 因此由上述公式得出IGBT导通损耗的简易计算公式: 这里调制比m原始定义是调制波幅度/载波幅度,这里是输出电压的幅值与直流电压的比值。b.IGBT的开关损耗在三相逆变器输入电压 Vdc与标称电压Vnom近似并且工作条件与标称条件相近(±20%)的情况下,可以认为Eon和 Eoff与Ic和Vdc近似成比例关系: 标称条件下的开通损耗和关断损耗可以由规格书中读取,你要是嫌datasheet上的数据跟实际应用情况不同,也可以通过试验测试,更接近实际使用情况。 可得一个周期总的平均损耗: n表示开关频率fsw与基波频率的倍数关系由上边两式,通过一个周期内所有开关损耗的积分,可以推导出IGBY开关损耗的最终表达式: Diode的损耗 a. Diode导通损耗:Diode的导通损耗可采用与IGBT近似的方法获取: 不同的是Diode占空比表达式跟IGBT相加为1,即 b.Diode开关损耗:Diode的开通损耗可以忽略,但是关断时的反向恢复损耗可不能,与IGBT损耗的计算方法类似,我们通过下边这个式子获取一个周期内的反向恢复损耗的平均功耗: 在最终计算时,In电流下对应的反向恢复损耗并非由I nom下的Erec(I nom)线性得到,英飞凌的IPOSIM对此处的计算方法进行了修正,用下式更能反映反向恢复损耗与电流的非线性关系 由上边两式最终得到Diode开关损耗: 上式中的修正方法随着版本的更新可能会有变化,但都是为了能够更加准确结温估算 通过前边的计算大致知道模块的总损耗,然后根据稳态模型Rth=△T/Ptot,估算IGBT芯片的结温,如下式 其中:Rth jc是结壳之间的热阻Rth cth是壳到散热器之间的热阻这些热阻参数,如果有模块厂家比较精确的数据更好此外,如果考虑模块引线电阻上的损耗,则可以参考下边的模型: 其中: 总结 简单总结一下,上边的计算方法,用的是一个电流周期内的平均损耗,在电流均值不变的情况下,平均损耗是不变的,因此算出来的结温是不变的,但实际上输出电流波动预示着损耗同样是波动的,结温也随之波动,如下图: 因此,这就是为什么输出电流有效值一样的情况下,频率越低,结温波动越厉害,对IGBT来说,就越恶劣以上内容来自资料总结参考:Infineon公开仿真资料,仿真工具IPOSIMIGBT结温的近似计算方法及应用 李岩磊 杨宁 马颖涛来源:电力电子技术与新能源

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