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IGBT模塊損耗、溫度與安全工作區

文章來源:http://www.farangtalk.com/
IGBT
模塊的損耗:
IGBT模塊由IGBT部分和FWD部分構成,IGBT模塊的損耗源于內部IGBT和反并聯二極管(續流FWDag平台娱乐场官方网站、整流)芯片的損耗ag平台娱乐场官方网站,它們各自發生的損耗的合計即為IGBT模塊整體發生的損耗。另外發生的損耗可分為穩態和交換損耗ag平台娱乐场官方网站。如對上述內容進行整理可表述如下。
IGBT并不是一個理想開關,主要體現在:

(1)IGBT在導通時有飽和電壓-Vcesat
(2)IGBT在開關時有開關能耗-Eon和Eoff

這是IGBT產生損耗的根源。Vcesat造成導通損耗ag平台娱乐场官方网站,Eon和Eoff造成開關損耗ag平台娱乐场官方网站。
導通損耗 + 開關損耗 = IGBT總損耗ag平台娱乐场官方网站。

FWD也存在兩方面的損耗,因為:

(1)在正向導通(即續流)時有正向導通電壓:Vf;
(2)在反向恢復的過程中有反向恢復能耗:Erecag平台娱乐场官方网站。

Vf造成導通損耗,Erec造成開關損耗ag平台娱乐场官方网站ag平台娱乐场官方网站。
導通損耗 + 開關損耗 = FWD總損耗
Vcesat,Eon,Eoff,Vf和Erec體現了IGBT/FWD芯片的技術特征。因此IGBT/FWD芯片技術不同ag平台娱乐场官方网站,Vcesat,Eon,Eoff,Vf和Erec也不同。
IGBT的總損耗可分為靜態損耗和動態損耗。其中靜態損耗包括通態損耗和斷態損耗ag平台娱乐场官方网站;動態損耗(開關損耗)ag平台娱乐场官方网站ag平台娱乐场官方网站,包括開通損耗和關斷損耗。器件處于關斷時,器件中流過的電流約等于零,電壓ag平台娱乐场官方网站、電流乘積很小,可以忽略不計,因此計算靜態損耗的時候,可以不考慮斷態損耗。我們平常所說的靜態損耗,一般是指通態損耗ag平台娱乐场官方网站。

IGBT模塊的損耗-IGBT導通損耗:
IGBT開通后,工作在飽和狀態下,IGBT集射極間電壓基本不變ag平台娱乐场官方网站,約等于飽和電壓Vcesat。
IGBT通態損耗是指IGBT導通過程中,由于導通壓降Vcesat而產生的損耗。
Vcesat和Ic的關系可以用下圖的近似線性法來表示:
Vcesat = Vt0 + Rce * Ic
IGBT的導通損耗:
Pcond = d * Vcesat * Ic,其中d為IGBT的導通占空比。
IGBT飽和電壓的大小ag平台娱乐场官方网站,與通過的電流Ic,芯片的結溫Tj和門極電壓Vge有關ag平台娱乐场官方网站。
模塊規格書里給出了IGBT飽和電壓的特征值:Vcesat,及測試條件ag平台娱乐场官方网站。
英飛凌的IGBT模塊規格書里給出了兩個測試條件下的飽和電壓特征值:
(1)Tj=25度ag平台娱乐场官方网站ag平台娱乐场官方网站;(2)Tj=125度。電流均為Ic,nom(模塊的標稱電流),VGE=+15V。
IGBT模塊的損耗-IGBT開關損耗:
IGBT之所以存在開關能耗,是因為在開通和關斷的瞬間,電流和電壓有重疊期。
隨著開關頻率的提高,開關損耗在整個器件損耗中的比例也變得比較大ag平台娱乐场官方网站,開關損耗包括開通損耗和關斷損耗兩部分。在給定環境條件下,器件導通或關斷時的能量損耗(焦耳)可以通過間接地將電流和電壓相乘再對時間積分這種方法得到ag平台娱乐场官方网站,同時需考慮實際電流與參考電流之間的差異ag平台娱乐场官方网站。
在Vce與測試條件接近的情況,Eon和Eoff可近似地看作與Ic和Vce成正比:
Eon = EON * IC/IC,NOM * Vce / 測試條件
Eoff = EOFF * IC/IC,NOM * Vce / 測試條件
IGBT的開關損耗:
PSW = Fsw * (Eon + Eoff),fSW為開關頻率。
IGBT開關能耗的大小與開關時的電流(Ic)ag平台娱乐场官方网站、電壓(Vce)和芯片的結溫(Tj)有關。
模塊規格書里給出了IGBT開關能耗的特征值:Eonag平台娱乐场官方网站,Eoff及測試條件。
英飛凌的IGBT模塊規格書里給出了兩個測試條件下的開關能耗特征值:
(1)Tj=25度;(2)Tj=125度。電流均為IC,NOM(模塊的標稱電流)。
IGBT模塊的損耗-FWD開關損耗:
反向恢復是FWD的固有特性ag平台娱乐场官方网站,發生在由正向導通轉為反向阻斷的瞬間,表現為通過反向電流后再恢復為反向阻斷狀態ag平台娱乐场官方网站。
在Vr與測試條件接近的情況,Erec可近似地看作與If和Vr成正比:
Erec = EREC * If /IF,NOM * Vr/測試條件
FWD的開關損耗:
Prec = fSW * Erec,fSW為開關頻率。
FWD反向恢復能耗的大小與正向導通時的電流(If)、電流變化率dif/dt、反向電壓(Vr)、和芯片的結溫(Tj)有關。
模塊規格書里給出了IGBT反向恢復能耗的特征值:EREC,及測試條件。
英飛凌的IGBT模塊規格書里給出了兩個測試條件下的反向恢復能耗特征值:
(1)Tj=25度;(2)Tj=125度ag平台娱乐场官方网站。電流均為IF,NOM(模塊的標稱電流)。
IGBT模塊的損耗-小結:
IGBT:
導通損耗:

(1)與IGBT芯片技術有關
(2)與運行條件有關:與電流成正比,與IGBT占空比成正比,隨Tj升高而增加。
(3)與驅動條件有關:隨Vge的增加而減小

開關損耗:

(1)與IGBT芯片技術有關
(2)與工作條件有關:與開關頻率、電流、電壓成正比,隨Tj升高而增加。
(3)與驅動條件有關:隨Rg的增大而增大ag平台娱乐场官方网站ag平台娱乐场官方网站,隨門極關斷電壓的增加而減小。

FWD:
導通損耗:

(1)與FWD芯片技術有關
(2)與工作條件有關:與電流成正比,與FWD占空比成正比。

開關損耗:

(1)與FWD芯片技術有關
(2)與工作條件有關:與開關頻率ag平台娱乐场官方网站、電流、電壓成正比ag平台娱乐场官方网站,隨Tj升高而增加。

系統總的損耗:
單個IGBT總的損耗PTr為通態損耗與開關損耗之和,單個反并聯二極管總的損耗PD為通態損耗和開關損耗之和。以變頻器為例ag平台娱乐场官方网站,系統總的損耗Ptot為6個IGBT和6個二極管損耗之和。
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