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
