IGBT功率损耗计算--蔡华

IGBT功率损耗计算对比---手算、Psim热模型、IPOSIM计算蔡华目的：对Psim中IGBT热模型功率计算方法进行验证，以便后期使用参考。方法：(1)根据器件手册计算；(2)根据英飞凌官方提供的计算工具核对.条件：经典的Buck电路；输入电压：1000V；输出电压：500V；输出电感：1mH；负载电阻：5Ω；开关频率：5kHz占空比：0.5；IGBT：英飞凌FF300R17ME4。Psim仿真电路见图1。图1Psim仿真模型英飞凌网站主页IPOSIM工具入口方法见图2。英飞凌官方功率计算网站图2英飞凌网站主页IPOSIM工具入口1.手工计算IGBT损耗(1)计算IGBT导通损耗。手册中给定的器件FF300R17ME3的IGBT导通电流与压降关系如图3所示。图3IGBT导通电流与压降IGBT导通时，从上述条件，可知，负载电压500V，负载平均电流100A，对应器件压降1.4V，占空比为0.5，平均导通损耗Pcond=100A*1.4V*0.5=70W。(2)计算IGBT开关损耗。手册中给定的IGBT开通和关断损耗与电流关系如图4所示。图4IGBT开通和关断损耗与电流关系IGBT导通平均电流为100A，开通关断，每次开关动作对应的开通和关断损耗Eon+Eoff=75mJ，实际Uce承受电压为1000V，图中测试条件为900V，所以还要乘以1000/900，开关频率为5kHz。所以对应的开关损耗为Psw=75m*5k*1000/900=416.6W。(3)计算IGBT反并联二极管导通损耗。手册中给定的IGBT反并联二极管压降与电流关系如图5所示。图5IGBT反并联二极管压降与电流关系IGBT关断时，电流从续流二极管流过，IGBT反并联二极管导通电流基本为0，损耗为0，可能此处不严谨，求拍。(4)计算IGBT反并联二极管反向恢复损耗。手册中给定的IGBT反并联二极管反向恢复损耗与电流关系如图6所示。图6IGBT反并联二极管反向恢复损耗与电流关系由于IGBT反并联二极管无电流，所以认为此处反向恢复损耗也为零。2.IPOSIM工具（英飞凌官方网站IGBT损耗计算）选择DC/DC-Buck电路拓扑，输入如下参数，选择本文的器件，计算。DC/DC-BuckSimulationResultsHello:HuaCai|Logout|Feedback|Help/SupportInputRequirementsInputVoltage1000VBlockingVoltage1700VOutputVoltage500VDutyCycle0.5SwitchingFrequency5000HzLoadResistance5ΩLoadInductance1mHFF300R17ME4IgbtParametersVCEsat,25°C1.95VEon+Eoff,125°C190.50mWsRG,on3.300ΩRG,off4.700ΩRthJC0.083K/WRthCH0.029K/WDiodeParametersVF,25°C1.80VErec,125°C78.50mWsRthJC0.130K/WRthCH0.046K/WApplicationDataRG,on3.300ΩRG,off4.700ΩThermalConditionsFixedHeatSinkHeatsinkTemperature50°CJunctionTemperaturesIGBT106.0°CFWD86.4°CSwitchingLossesIGBT420.455WFreeWheelingDiode144.445WConductionLosssesIGBT76.943WFreeWheelingDiode61.261WAverageLossesIGBT497.398WFreeWheelingDiode205.705W3.Psim中IGBT热模型根据英飞凌FF300R17ME3器件手册，建立热模型如图7所示，其中每个曲线只取了4~5个关键点。图7英飞凌FF300R17ME3在Psim中热模型将所建立的device文件放入C:\ProgramFiles\Powersim\PSIM9.0.3_Trial\Device文件夹内。重启Psim，选择刚才的器件模型，如图8所示。图8加载所选的器件热模型仿真结果如图9和图10(放大波形)所示。图9Psim仿真结果图10Psim仿真结果放大波形4.总结对比采用上述三种方法的计算结果如表1所示，可以看出，对于IGBT导通损耗和IGBT开关损耗的计算结果，三种方法还是比较接近的，其中有曲线选择时取样点误差的影响。然而，对于反并联二极管的损耗问题，IPOSIM给的值，不知道是另外续流二极管的损耗值还是内部反并联二极管的损耗值。表1不同方法计算结果对比(RL=5Ω)RL=5欧姆手册手算IPOSIM(英飞凌官方)PSIM(热模型)IGBT导通损耗70W77W65WIGBT开关损耗416.6W420W416.5W反并联二极管导通损耗061W0反并联二极管开关损耗0144W0为了更具有说服力，对负载电阻为2.5欧姆和2欧姆时，进行了仿真计算，结果见表2和表3。从表2可以看出，Psim与IPOSIM的结果同样比较接近。但是在表3中，Psim和IPOSIM的结果差距拉大了点，可能原因之一是在表3中，负载电流为250A，而器件热模型曲线采样时该点没有采样，Psim计算中进行了插值，造成了误差。表2不同方法计算结果对比(RL=2.5Ω)RL=2.5欧姆手册手算IPOSIM(英飞凌官方)PSIM(热模型)IGBT导通损耗199.3W164.5WIGBT开关损耗715.3W720.8W反并联二极管导通损耗155.45W0反并联二极管开关损耗249.4W0表3不同方法计算结果对比(RL=2Ω)RL=2欧姆手册手算IPOSIM(英飞凌官方)PSIM(热模型)IGBT导通损耗300W228WIGBT开关损耗1017W875W反并联二极管导通损耗214W0反并联二极管开关损耗317W0以上只是计算和仿真的结果，没有实验数据，结果可靠性不得而知，但英飞凌官方网站提供的数据应该是可信的。仅供参考！QQ：511491361附：A．负载电阻为2.5欧姆(1)IPOSIM计算结果InputRequirementsInputVoltage1000VBlockingVoltage1700VOutputVoltage500VDutyCycle0.5SwitchingFrequency5000HzLoadResistance2.5ΩLoadInductance1mHFF300R17ME3IgbtParametersVCEsat,25°C2.00VEon+Eoff,125°C188.90mWsRG,on4.700ΩRG,off4.700ΩRthJC0.075K/WRthCH0.028K/WDiodeParametersVF,25°C1.80VErec,125°C71.70mWsRthJC0.130K/WRthCH0.049K/WApplicationDataRG,on4.700ΩRG,off4.700ΩThermalConditionsFixedHeatSinkHeatsinkTemperature20°CJunctionTemperaturesIGBT114.3°CFWD92.5°CSwitchingLossesIGBT715.266WFreeWheelingDiode249.378WConductionLosssesIGBT199.296WFreeWheelingDiode155.456WAverageLossesIGBT914.563WFreeWheelingDiode404.834W(2)Psim计算结果B．负载电阻为2欧姆(1)IPOSIM计算结果DC/DC-BuckSimulationResultsHello:HuaCai|Logout|Feedback|Help/SupportInputRequirementsInputVoltage1000VBlockingVoltage1700VOutputVoltage500VDutyCycle0.5SwitchingFrequency5000HzLoadResistance2ΩLoadInductance1mHFF300R17ME3IgbtParametersVCEsat,25°C2.00VEon+Eoff,125°C188.90mWsRG,on4.700ΩRG,off4.700ΩRthJC0.075K/WRthCH0.028K/WDiodeParametersVF,25°C1.80VErec,125°C71.70mWsRthJC0.130K/WRthCH0.049K/WApplicationDataRG,on4.700ΩRG,off4.700ΩThermalConditionsFixedHeatSinkHeatsinkTemperature20°CJunctionTemperaturesIGBT155.8°CFWD115.0°CSwitchingLossesIGBT1016.779WFreeWheelingDiode316.099WConductionLosssesIGBT299.556WFreeWheelingDiode214.081WAverageLossesIGBT1316.335WFreeWheelingDiode530.180W(2)Psim仿真结果