IGBT损耗计算和损耗模型研究

收稿日期院2005-10-09IGBT损耗计算和损耗模型研究熊妍袁沈燕群袁江剑袁何湘宁渊浙江大学电气工程学院袁浙江杭州袁310027冤摘要院器件的损耗对系统设计尧器件参数及散热器的选择相当重要遥损耗模型主要分为两大类院基于物理结构的IGBT损耗模型渊physics-based冤和基于数学方法的IGBT损耗模型遥对近年来的各种研究情况进行了讨论袁并给出了其相应的应用范围遥关键词院IGBT曰损耗计算曰损耗模型StudyonLossCalculationandModelforIGBTXIONGYan,SHENYan-qun,JIANGJian,HEXiang-ning(CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,HangzhouZhejiang310027,China)Abstract:Powerdeviceslossisimportantforthesystemdesign,thedeviceparametersandthechoiceofheatsinks.Thelossmodelsaredividedintotwotypes:oneisbasedonphysics,theotherisbasedonmathematics.Severalmethodsinrecentyearsandtheirapplicationsarediscussed.Keywords:IGBT;losscalculation;lossmodel中图分类号院TN492文献标识码院B文章编号院0219-2713渊2006冤05-0055-060引言电力电子器件是电力电子学的基础袁是电力电子电路的核心遥绝缘栅晶体管渊InsulatedGateBipolarTransistor袁简称IGBT冤是一种发展迅速尧应用广泛的电力电子器件遥它是利用MOSFET输入阻抗高和GTR输出阻抗低的优点而组合成的新器件遥因其开关频率高尧通态电流大等优点袁已广泛应用于各种开关电源尧马达传动系统及其他能量转换装置遥包括IGBT在内的电力电子器件在实际应用中最应当关注的是功率损耗渊包括导通损耗和开关损耗冤和极限工作温度遥这对产品的寿命预测和结构设计至关重要遥IGBT在硬开关模式下工作时袁在开通及关断瞬时有较大的开关损耗袁当工作频率较高时袁开关损耗将大大超过IGBT的通态损耗袁造成内部结温增高袁并对IGBT的安全工作形成威胁袁以至造成永久性损坏遥因此袁IGBT的损耗计算对系统设计尧器件参数及散热器的选择相当重要遥本文对近年来的各种研究情况进行了讨论袁并给出了其相应的应用范围遥1功率开关损耗的定义一个开关周期中消耗在IGBT中的能量可以用下面的表达式表示Etot=tp0乙vceicdt渊1冤式中院tp为开关周期袁功率损耗为开关频率乘以能量损耗遥Ptot=Etotf渊2冤图1渊a冤为IGBT模块的示意图袁它包含了两个IGBT器件和两个反并联二极管遥图1(b)为IGBT工作时的功率损耗遥从图1中可以得出袁因IGBT断态电流很小袁一般IGBT的主要损耗包括3部分院开通损耗尧导通损耗和关断损耗遥其中开通Vol.9No.5May2006第9卷第5期2006年5月POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS55PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建模型[14]损耗和关断损耗合称为开关损耗遥Pswitcht=渊Eon+Eoff冤f渊3冤影响开关损耗的因素很多袁比如负载电流尧母线电压尧结温尧门极电压尧门极电阻袁它们对开关损耗都存在不同程度的影响遥2损耗模型国内外有很多人对器件的损耗模型进行了较深入的研究遥损耗模型的建立主要分为两大类院基于物理结构的IGBT损耗模型渊physics-based冤和基于数学方法的IGBT损耗模型遥2.1基于物理结构的IGBT损耗模型这种方法通过分析IGBT/DIODE的物理结构和内部载流子的工作情况袁采用电容尧电阻尧电感尧电流源尧电压源等一些相对简单的元件模拟出IGBT的特性袁利用仿真软件仿真IGBT在各种工作情况下电压尧电流波形袁从而计算得到IGBT的损耗遥这种损耗模型的准确程度取决于器件物理模型的准确程度袁只有物理模型越接近实际工作情况的器件袁才能保证仿真得到的损耗近似于实际的损耗遥从1982年IGBT试制成功迄今袁对于IGBT建模的文章已经超过50多篇[4]遥目前比较常用的物理模型主要为院Hefner模型尧Kraus模型和Sheng模型遥2.1.1Hefner物理模型[4]~[14]由Hefner提出的一种基于IGBT物理结构的模型已经广泛应用于Saber和Spice等仿真软件遥它采用一维图形的方法袁其模型包含了IGBT重要的物理特征袁可以描述IGBT在各种外部电路条件下的稳态和动态特性袁具有很好的动态精确性遥图2给出Hefner模型在Saber软件中的模拟仿真电路图遥通过实验和仿真比较得出这种物理模型具有很好的准确性遥2.1.2Kraus物理模型[4][5][15~19]Kraus物理模型仅对NPT-IGBT进行模型袁图3给出了结构图遥它将IGBT模拟成MOSFET和BipolarTransistor两部分遥MOSFET部分采用电阻和电容描述MOSFET的特征袁Bipolar部分采用两个二极管和三个电流源模拟遥Kraus模型比较简单袁容易理解遥它主要用于Saber仿真软件中遥2.1.3Sheng物理模型[4][5][20][21]Sheng模型主要用于D-IGBT遥它的特点是在描述IGBT静态特性时采用二维载流子分布的方法袁同时也考虑了器件的动态特性和温度对它的影响遥图4给出了其结构图遥它主要用于Pspice仿真软件中遥从上面对这些物理模型的分析可以发现袁真渊b冤IGBT工作时功率损耗图1IGBT模块的功率损耗[3]渊a冤IGBT模块示意图56PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建的内部结构和每个阶段的工作过程遥尤其是模型参数值的确定是较复杂的过程袁对于一般使用器件的用户来说袁是有些困难的[4]遥2.2基于数学方法的IGBT损耗模型这种方法与器件的具体类型无关袁它是基于大量数据的测量袁试图寻找出功耗与各个影响因素的数量关系遥它的一个最大的优点是计算速度快遥但是由于它的工作是基于测量的袁所以在准确性和所需数值的测试次数上需要一个折中遥2.2.1指数方法[22]~[27]文献[22]~[27]在计算IGBT损耗时都采用了将损耗表示成负载电流指数幂的形式袁它对导通损耗和开关损耗采用不同的表达式袁同时也考虑了温度尧母线电压对模型的影响遥渊1冤通态损耗对于导通损耗采用仅将损耗表示成负载电流的表达式遥不同的参数值是从多次测试中提取出来的遥由式渊1冤尧式渊2冤袁并把导通压降用一个动态电阻和一个常数压降表示遥则导通损耗可以用下面的式子表示Pcon,x=1TT0乙V0,x+r0,xiLt蓸蔀Bcon,x蓘蓡iL(t)dt渊4冤式中院V0,x为IGBT的偏置电压曰r0,x为动态电阻曰Bcon,x为待定的常数遥由于导通损耗的变化仅和温度有关系袁推广导通损耗袁它可以推导如下Pcon,x=1TT0乙Ccon,1Tj+V0,x+Ccon,2Tj+r0,x蓸蔀iLt蓸蔀Bcon,x蓘蓡iL(t)dt渊5冤式中院Tj为结温曰Ccon,1袁Ccon,2为与温度有关系的待定常量袁可以通过大量的测试得到遥渊2冤开通损耗对于开通损耗袁同样可以通过计算VCE和IC得到袁但是一种更加准确的方法是仅将损耗表示成负载电流的关系遥其表达式为Esw,x=Asw,xi(t)Bsw,x渊6冤式中院Esw,x为开通损耗的能量曰Asw,x袁Bsw,x为待定的常数遥这个公式适用于开通损耗尧关断损耗和二极管的反向恢复损耗遥其中的V0,x袁r0,x袁Asw,x袁Bsw,x是通过大量数据拟合得到的袁它们都是负载电流的函数遥如果考虑包括不同的母线电压对开通损耗的影响袁开通损耗可以表示为Esw,x=Asw,xi(t)Bsw,xVDCVbase蓘蓡Csw,x渊7冤式中院Vbase为母线电压基值曰VDC为实际母线电压曰Csw,x为待定的电压常量遥待定常数Asw,x袁Bsw,x在母线电压基值时就可以确定袁如500V遥通过改变不同的母线电压可以得到常数Csw,x遥当基值温度选定时袁可以考虑结温遥开通损耗可以表示为Esw,x=Asw,xi(t)Bsw,xVDCVbase蓘蓡Csw,xTjTbase蓘蓡Dsw,x渊8冤式中院Tbase为基值结温袁例如可选为75毅曰Dsw,x为结温常数遥常数Dsw,x在Asw,x袁Bsw,x袁Csw,x确定后可以得到遥图4Sheng物理模型图3Kraus物理模型绎仿真与建模要要要IGBT损耗计算和损耗模型研究要要要57PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建线性化方法文献[28][29]提出一种线性化方法计算损耗袁它的原理如图5所示遥需要测量的仅仅是特定条件下一些电压尧电流和结温值时的损耗值遥由此通过插值的方法得到任意电压尧电流和结温时的损耗值遥3个参数V袁I袁Tj分别代表电压袁电流和结温遥P是对应的功率损耗遥在图5中袁O1~O8是需要知道的8个测试值遥它们的关系为O1=渊Vi1袁Tj1袁Ik1袁P1冤O2=渊Vi1袁Tj1袁Ik2袁P2冤O3=渊Vi1袁Tj2袁Ik3袁P3冤O4=渊Vi1袁Tj2袁Ik4袁P4冤O5=渊Vi2袁Tj3袁Ik5袁P5冤O6=渊Vi2袁Tj3袁Ik6袁P6冤O7=渊Vi2袁Tj4袁Ik7袁P7冤O8=渊Vi2袁Tj4袁Ik8袁P8冤要求的测试点的损耗可以通过插值的方法得遥2.2.3多项式方法在文献[30]中提到计算损耗可以采用多项式的方法遥渊1冤通态损耗一般来说袁导通压降为电流和温度的函数遥在特定温度下袁为了能更准确表示出导通电压和电流的数量关系袁将电压表示成电流的二次多项式袁即Vc=ac+bcI+ccI2渊9冤这比通常采用的线性方法要精确的遥其中院ac尧bc尧cc可以通过用户手册或者曲线拟合的方法得到遥如果考虑温度对导通电压的影响袁可以将电压采用式渊10冤的方法表示Vc=acTat+bcTbtI+ccTctI2渊10冤从而导通损耗仅为负载电流的函数遥渊2冤开通损耗IGBT的开通损耗可以表示为Eswc=a+bI+cI2渊11冤同理袁a尧b尧c可以通过用户手册或者曲线拟合的方法得到遥2.2.4三角形方法在文献[31][32]中提出一种利用IGBT电压电流波形采用三角形方法计算损耗的方法遥图6给出IGBT典型的开关波形袁其中图6(a)为关断波形袁图6(b)为开通波形遥由此袁可计算得到关断损耗和开通损耗遥2.2.5利用数据手册估算损耗文献[33]提出一种利用器件的数据手册估算损耗的方法遥给出一个计算的例子袁如图7所示遥由此袁利用线性插值的方法得到开通损耗Eon=AonIc+Bon渊12冤式中院Aon=驻Eon驻Ic=Eon(2)-Eon(1)Ic(2)-Ic(1)袁Bon=Eon(2)-AonIc(2)关断损耗Eoff=AoffIc+Boff(13)图5损耗的插值法渊a冤典型的IGBT关断波形渊b冤典型的IGBT开通波形图6IGBT典型开关波形58PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建=驻Eoff驻Ic=Eoff(2)-Eoffn(1)Ic(2)-Ic(1)袁Bon=Eoff(