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      IGBT模块损耗、温度与安全工作区

      文章来源:http://www.macchinamagnetica.com/
      IGBT
      模块的损耗:
      IGBT模块由IGBT部分和FWD部分构成,IGBT模块的损耗源于内部IGBT和反并联二极管(续流FWD、整流)芯片的损耗,它们各自发生的损耗的合计即为IGBT模块整体发生的损耗。另外发生的损耗可分为稳态和交换损耗。如对上述内容进行整理可表述如下。
      IGBT并不是一个理想开关,主要体现在:

      (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 = 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:Erec。

      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的总损耗可分为静态损耗和动态损耗。其中静态损耗包括通态损耗和断态损耗;动态损耗(开关损耗),包括开通损耗和关断损耗。器件处于关断时,器件中流过的电流约等于零,电压、电流乘积很小,可以忽略不计,因此计算静态损耗的时候,可以不考虑断态损耗。我们平常所说的静态损耗,一般是指通态损耗。

      IGBT模块的损耗-IGBT导通损耗:
      IGBT开通后,工作在饱和状态下,IGBT集射极间电压基本不变,约等于饱和电压Vcesat。
      IGBT通态损耗是指IGBT导通过程中,由于导通压降Vcesat而产生的损耗。
      Vcesat和Ic的关系可以用下图的近似线性法来表示:
      Vcesat = Vt0 + Rce * Ic
      IGBT的导通损耗:
      Pcond = d * Vcesat * Ic,其中d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度;(2)Tj=125度。电流均为Ic,nom(模块的标称电流),VGE=+15V。
      IGBT模块的损耗-IGBT开关损耗:
      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。
      随着开关频率的提高,开关损耗在整个器件损耗中的比例也变得比较大,开关损耗包括开通损耗和关断损耗两部分。在给定环境条件下,器件导通或关断时的能量损耗(焦耳)可以通过间接地将电流和电压相乘再对时间积分这种方法得到,同时需考虑实际电流与参考电流之间的差异。
      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 * IC/IC,NOM * Vce / 测试条件
      Eoff = EOFF * IC/IC,NOM * Vce / 测试条件
      IGBT的开关损耗:
      PSW = Fsw * (Eon + Eoff),fSW为开关频率。
      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度;(2)Tj=125度。电流均为IC,NOM(模块的标称电流)。
      IGBT模块的损耗-FWD开关损耗:
      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 * If /IF,NOM * Vr/测试条件
      FWD的开关损耗:
      Prec = fSW * Erec,fSW为开关频率。
      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度;(2)Tj=125度。电流均为IF,NOM(模块的标称电流)。
      IGBT模块的损耗-小结:
      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Rg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。

      系统总的损耗:
      单个IGBT总的损耗PTr为通态损耗与开关损耗之和,单个反并联二极管总的损耗PD为通态损耗和开关损耗之和。以变频器为例,系统总的损耗Ptot为6个IGBT和6个二极管损耗之和。
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