IGBT损耗计算和其散热设计.doc

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1、IGBT损耗计算及其散热设计6目录1IGBT损耗分类12损耗计算12.1IGBT通态损耗计算22.2IGBT开关损耗计算22.3FWD的导通损耗22.4FWD的开关损耗23英飞凌IPOSIM6中损耗计算方法24IGBT结温计算44.1热阻44.2结温计算45散热器设计56NTC电阻的使用56.1使用模拟方法用获得NTC测量的温度561IGBT损耗分类IGBT模块由IGBT单元和FWD单元构成，它们各自产生的损耗之和即为IGBT模块整体所产生的损耗。另外，损耗一般可以分为导通损耗和开关损耗。无论IGBT单元还是FWD单元的导通损耗均可通过输出特性计算。同时，开关损耗能通过开关损耗-集电

2、极电流特性计算。根据计算出的损耗进行散热设计，保证结温Tj不超过允许值。因此，计算损耗时通常使用高结温的通态电压和开关损耗的值来进行计算。对于IGBT模块，正向截止损耗和控制损耗只占总损耗的一小部分，所以通常被忽略。只有在高截止电压(大于1千伏)或高的结层温度(大于150°C)时，截止电流成指数曲线增加，它带来的截止损耗变得越来越大，甚至会导致热失控。控制损耗通常只是在高频低压MOSFET模块的应用中才给予考虑。IGBT模块的导通损耗取决于:负载电流、结层温度、占空比；对于给定的控制参数(RG,VGG)和被忽略寄生元素(LS,Cload)，开通和关断功耗取决于:负载电流与负载电气特性

3、(欧姆，电感，电容)、直流母线电压、结层温度、开关频率，总功耗计算公式如下:由于续流二极管的截止损耗占总损耗的一小部分，所以亦被忽略了。它也有同IGBT模块同样的限制。正向恢复过程导致了开通损耗，在快速二极管中这一损耗也是微不足道的，可以被忽略。续流二极管的导通损耗取决于:负载电流(正向导通特性曲线VF=f(IF))、结层温度、占空比；对于给定的同续流二极管换流的IGBT的参数和被忽略的寄生元素(LS)，关断损耗取决于:负载电流、直流母线电压、结层温度，开关频率，总损耗的计算公式如下:模块的总损耗为单独的模块损耗乘以开关数量n，即:2损耗计算61.1IGBT通态损耗计算IGBT通态平

4、均功耗：导通损耗的近似计算：PWM应用中，近似通态平均损耗：,为占空比因子1.2IGBT开关损耗计算IGBT的开关损耗是指IGBT在开通与关断过渡过程中的功率损耗。得到开关损耗最精确的方法是测量在开关过程中IC和VCE的波形，对其进行时间积分。的积分面积就是以焦耳为单位的开关能量，具有波形处理能力的数字示波器可以使开关损耗的计算变得非常简单。总的开关损耗是开通及关断过程所耗能量之和；平均开关损耗是由单脉冲总开关能量与PWM开关频率相乘后得到。通常，IGBT的数据手册会给出E(on)、E(off)与IC的关系曲线，因此根据IGBT中流过的电流值，查曲线可得出E(on)、E(off)，再

5、通过上述公式，可得到平均开关损耗，进而可得到每个IGBT的总平均功耗：1.3FWD的导通损耗与IGBT反并联的续流二极管的损耗可以近似的通过数据手册中，查二极管的通态压降VF，与估算二极管的平均电流ID相乘得到，即：1.4FWD的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。2英飞凌IPOSIM6中损耗计算方法61.IGBT导通损耗正弦的输出电流：导通情况下的IGBT的压降：其中为门槛电压，为斜率电阻；：逆变桥输出的占空比（导通时为1，关断时为0），一般情况下，该变量的波形为：，其中，m为调制比，为输出信号与电流之间

6、的相位差。推导得：2.IGBT开关损耗其中：3.续流二极管的导通损耗与IGBT的导通损耗类似，只是针对DIODE而言，上桥臂的IGBT导通意味着下桥臂的DIODE6关断，反之，上桥臂的IGBT关断意味着下桥臂的DIODnimendouE导通。因此对于DIODE来说1.续流二极管的开关损耗二极管开关损耗中的导通损耗可忽略不计，须考虑的是关断损耗：计算中，与DIODE的反向恢复能量并不成正比，以下式进行等同综合后可得：1IGBT结温计算1.1热阻为了描述器件的散热情况，引入热阻的概念。电流流过电阻R，电阻消耗功率RI2[W]（每秒RI2焦耳能量），导致电阻温度上升。电阻产生的热量不能散发

7、时，则电阻温度随着时间增加而上升，直至电阻烧坏。与用电阻表示对电流的阻力类似，热阻表示热传输时所受的阻力：其中T1-T2为两点温度之差，P为传输的热功率，RT是传输单位功率时温度变化度数，单位是℃/W，RT越大表明相同温差下散发的热能越小。1.2结温计算在模块内部IGBT芯片的最大可允许结温是150℃（或175℃），这一额定值在任何情况下都是不允许超过的，最好是在最恶劣的条件下的最高结温限定在125℃或更低。半导体器件在额定结温以下工作，可靠性就可以提高。