功率损耗和温度的估算---英飞凌

功率损耗和温度的估算Page2IGBT模块的损耗IGBT模块的损耗源于内部IGBT和二极管（续流FWD、整流）芯片的损耗，主要是IGBT和FWD产生的损耗。IGBT不是一个理想开关，体现在：1）IGBT在导通时有饱和电压–Vcesat2）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：Vf2）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。Page3IGBT模块的损耗-IGBT导通损耗IGBT的Vcesat-Ic特性曲线Vcesat和Ic的关系可以用左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：VCE,Sat，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C；2）Tj=125C。电流均为IC,NOM（模块的标称电流），VGE=+15VPage4IGBT模块的损耗-IGBT开关损耗IGBT开通瞬间IGBT关断瞬间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。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C；2）Tj=125C。电流均为IC,NOM（模块的标称电流）。Eon定义：10%Ic到2%VceEoff定义：10%Vce到2%IcPage5IGBT模块的损耗-FWD导通损耗U0RdFWD的Vf-If特性曲线Vf和If的关系可以用左图的近似线性法来表示：Vf=U0+RdIfFWD的导通损耗：Pf=d*VfIf，其中d为FWD的导通占空比模块规格书里给出了FWD的正向导通电压的特征值：VF，及测试条件。FWD正向导通电压的大小，与通过的电流（If）和芯片的结温（Tj）有关。英飞凌的IGBT模块规格书里给出了两个测试条件下的正向导通电压特征值：1）Tj=25C；2）Tj=125C。电流均为IF,NOM（模块的标称电流）。Page6IGBT模块的损耗-FWD开关损耗FWD的反向恢复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C；2）Tj=125C。电流均为IF,NOM（模块的标称电流）。Erec定义：10%Vcc到2%IrmPage7IGBT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。Page8IGBT模块的温度芯片焊料铜层陶瓷(Al2O3/AlN)铜层焊料基板散热器结温（Tj）壳温（Tc）散热器温度（Th）环境温度（Ta）芯片-外壳温差Tjc外壳-散热器温差Tch散热器-环境温差Tha芯片-外壳热阻Rthjc外壳-散热器热阻Rthch散热器(-环境)热阻Rthha输入功率输出功率损耗Tj=Tjc+Tch+Tha+TaPage9IGBT模块的温度HHHH温差(平均值)和热阻Rthjc=Tjc损耗Rthch=Tch损耗Rthha=Tha损耗总和或Rthha1,2=Tha损耗1,2模块规格书给出：RthjcperIGBT（每个IGBT开关）RthjcperFWD（每个FWD开关）RthchperIGBT（每个IGBT开关）RthchperFWD（每个FWD开关）或Rthchpermodule（每个模块）热阻模型（稳态）IGBT/FWD芯片尺寸越大，Rthjc值越小；模块尺寸越大，Rthch值越小；散热器越大，Rthha值越小。Page10IGBT模块的温度Rthch值的换算：Rthchperarm=RthchpermodulenRthchperarm=Rthch_IGBT//Rthch_FWDRthha值的换算：Rthhaperarm=Rthhan其中arm是一个桥臂单元（IGBT+FWD），n是模块内的桥臂单元数一个桥臂单元一个模块对于含整流桥的PIM，Rthch的换算可以按Rthjc之间的比例来算。Page11IGBT模块的温度当损耗以周期性脉冲形式（方波/正弦半波）存在时，模块表现出热容性，可用瞬态热阻抗Zthjc来表示。Zthjc是一个时间变量（瞬态损耗持续的时间）。时间越长，Zthjc值越大。Zthjc的最大值就是Rthjc。结温Tj的波动幅度与Zthjc有关，Zthjc值越大，Tj的波动幅度就越大。仿真结果：变频器输出频率不同时，对应的IGBT结温。瞬态热阻抗模型Page12IGBT模块的温度瞬态热阻抗模型仿真结果：脉冲功率下的结温Page13IGBT模块的温度-小结IGBT模块各个部分的温差T取决于1）损耗（芯片技术、运行条件、驱动条件）；2）热阻（模块规格、尺寸）模块芯片的结温是各部分的温差和环境温度之和：Tj=Tjc+Tch+Tha+Ta如果假设壳温Tc恒定，则Tj=Tjc+Tc；如果假设散热器温度Th恒定，则Tj=Tjh+Th。IGBT的平均结温取决于平均损耗、Rthjc和壳温Tc。在实际运行时，IGBT的结温是波动的，其波动幅度取决于瞬态损耗和Zthjc，而Zthjc又和运行条件（如变频器输出频率）有关。IGBT的峰值结温为平均结温+波动幅值。结论：IGBT的结温（平均/峰值）和芯片技术、运行条件、驱动条件、IGBT规格、模块尺寸、散热器大小和环境温度有关。Page14IGBT模块的安全运行安全运行的基本条件：温度：IGBT结温峰值Tj_peak125C（150C*）模块规格书给出了两个IGBT最高允许结温：Tjmax=150C（175C*）-指无开关运行的恒导通状态下；Tvj(max)=125C（150C*）-指在正常的开关运行状态下。Tvj(max)规定了IGBT关断电流、短路、功率交变（PC）所允许的最高结温。*600VIGBT3；1200V和1700VIGBT4；3300VIGBT3短路时间：Vcc=2500V,Vge=15V,Tvj=150°,Tp=10us其它：VceVCES（即IGBT的电压规格）VgeVGES（20V）Ic由RBSOA规定了在连续开关工作条件下，不超过2IC,NOM。最小开通时间，等等