IGBT热仿真软件操作方法

7-1三菱电机功率模块技术研讨会三菱电机功率模块技术研讨会MitsubishiElectricCorporation20010年10月功耗和热仿真软件的使用功耗和热仿真软件的使用7-2该软件可以计算三菱功率模块在电压逆变器和DC-DC变换器应用中IGBT，MOSFET，续流二极管的硅片温度和相对温升。输入参数:直流母线电压，输出电流，载波频率，输出频率，门极电阻，功率因数，调制率，占空比，散热器温度（模块正下方）可应用于ƒ家电应用o洗衣机o电冰箱o空调ƒUPS(不间断电源)ƒ新能源o太阳能发电o风电o燃料电池发电ƒ逆变器o工业,o传动,o电动汽车ƒ伺服o机床o机器人什么是三菱功率模块功耗仿真软件？什么是三菱功率模块功耗仿真软件？7-3功率模块选型指导功率模块选型指导电机ICPVCCVCC=直流母线电压i(t)tICP=最大输出峰值电流应用应用::变频器变频器7-4选型准则„电气设计(VCE,IC)„热设计(Tj)保证模块工作在SOA区内(VCEvsIC)Tj(max):低于150℃KeepSOAKeepTjmax.要点选型准则选型准则7-5根据电气设计准则进行选型根据电气设计准则进行选型安全工作区,32CESVVCC≤(min)10(min)GGGRRR×≤≤CTCj°≤≤°12525IC2×IC600V1200ViCollector-EmitterVoltageCollectorCurrentVce选择功率模块额定值选择功率模块额定值a)最大集电极电流:Ic1/2Icpb)C-E间最大电压:VCES大于C-E间最大浪涌电压c)C-E间最大电压:VCES3/2VccRG推荐值为3-5倍RG（min）但是需要确认Vcep、噪声和开关损耗7-6„Step1:通过饱和压降特性和开关特性计算IGBT&FWD上的总功耗„Step2:通过总功耗和热阻计算结温„Step3:评价计算出的结温是否满足设计需求根据热设计准则进行选型根据热设计准则进行选型总功耗总功耗温度温度评价评价使用三菱功耗仿真软件7-7IGBTDC-LossIGBTSW-LossFWDDC-LossFWDSW-LossPWM工作时平均功耗计算(VVVF变频器)斩波工作时平均功耗计算(电机堵转)IGBT-LossFWD-LossfcIeErrDutyIeVIeEC×+−××)(@)1()(@fcIcEoffIcEonDutyIcsatVIcCE×++××))(@()(@())(@(DC-LossDC-LossSW-LossSW-Loss7-8U相波形UVW3相变频器运行3相变频器运行7-91)IGBT静态损耗voutiout功率因数:cosθicVCE(sat)ICP:最大集电极峰值电流VCE(sat)@IOθStep1:总功耗-静态损耗&开关损耗Step1:总功耗-静态损耗&开关损耗)sin(XIICPO×=IoVCEit根据具体应用根据data-sheet根据具体应用dXXDXIVXIPCPsatCECPDCIGBT2)sin(1)sin(@)sin(210)(θππ+×+××××=∫−ICPX7-102)IGBT开关损耗T=1/fCEsw(on)atIOEsw(off)atIOEEii3)IGBT总功耗Esw(on)IOIOEsw(off)itfC:Carrierfreq.根据data-sheet根据data-sheet根据具体应用dXfXIEXIEPCCPOFFSWCPONSWSWIGBT××+×=∫−ππ0)()())sin(@)sin(@(21PPPSWIGBTDCIGBTIGBT−−+=7-114)FWD导通损耗dXXDXIVXIPEPECEPDCFWD2)sin(1)sin(@)sin(212θπππ+×+××××=∫−voutiout功率因数:cosθicVECICP:最大峰值电流VEC@IOθ)sin(XIIEPO×=IoVECit根据具体应用根据data-sheet根据具体应用IEPX7-125)FWD恢复损耗T=1/fCEiCErrErratIEPRecoverylossIEP6)FWD总损耗it根据data-sheet根据具体应用fc:Carrierfreq.dXfXIEPCEPrrSWFWD∫×=−πππ2))sin(@(21PPPSWFWDDCFWDFWD−−+=7-13Step.2:功率模块的热等效电路Step.2:功率模块的热等效电路Rth(j-c)RRth(j-c)QΔT(j-c)QΔT(j-c)RΔT(c-f)散热器Rth(c-f)PFWDPIGBTΔT(j-c)Q=PIGBT×Rth(j-c)Q具体应用中散热器表面温度(Tf)ΔT(j-c)R=PFWD×Rth(j-c)RΔT(c-f)=(PIGBT+PFWD)×Rth(c-f)7-14结温计算结温计算1)IGBT结温2)FWD结温)()()()(fcthFWDIGBTQcjthIGBTfQjRPPRPTT−−×++×+=)()()()(fcthFWDIGBTDcjthFWDfDjRPPRPTT−−×++×+=7-15Step3.结温的推荐设计和重新选型的指导方针Step3.结温的推荐设计和重新选型的指导方针„Tj125℃:设计需要重新检查,选择更大电流的模块。„Tj125℃:如果结温很低,试一下更小电流的模块是否满足要求。或者检查一下可靠性计算7-16模块选型准则模块选型准则模块额定参数最大值推荐工作条件VCESICTjCESCC32VVCCCES2VV×=C(*)CP2II×*CPCII=C150(*)j°TC125(*)j°=TNote（*）：在最严酷应用条件下7-17Mitsubishi功耗仿真软件使用手册MelcosimProgramVer.4://仿真界面介绍仿真界面介绍②选择3相调制或者2相调制①选择模块所选模块名称所选模块的热阻仿真结果④单击条件を入力③工作条件ASIPMandpartofDIP-IPMareexcluded.7-20应用条件的定义应用条件的定义123456781257910T1fsw=1/T13HtHsModulationRatioma=Hs/Ht8Chopperorsinus9106T2fo=1/T2Tfo=1/T4fo(min)=0.1Hz7-21InverteroutputpowerPoandoutputcurrentIoP.F.VoPoIo××=3SinglephaseinverterThree-phaseinverter※OutputvoltageVo&PowerfactorP.F.arenecessary.P.F.VoPoIo×=NPNP单、三相逆变器的输出电流计算单、三相逆变器的输出电流计算7-22CNDBPUWVUpUnVpWpVnWn逆变器整流器AC(50/60Hz)电动机PKG２in１PKG１in１PKG６in１IGBTLossFWDiLoss每一个模块以及IGBT,FWDi的功耗都相同。NPUpUnVpWpVnWnNPUpUnVpWpVnWnNPUpUnVpWpVnWn3相变频器的功耗(电动机运行)3相变频器的功耗(电动机运行)7-233相调制和2相调制的区别3相调制和2相调制的区别在3相调制模式的调制波上，叠加3次谐波，就构成了2相调制模式。传统的SPWM属于3相调制，而SVPWM属于2相调制。2相调制模式可以提高逆变器电压利用率并降低IGBT开关次数。7-24二相変調三相変調01803605407200変調率=0.0UV(度)線間電圧100%0%DutyVCC-VCC0VU線間電圧0%100%DutyVCC-VCC01803605407200変調率=0.1UV(度)線間電圧100%0%DutyVCC-VCC0VU線間電圧0%100%DutyVCC-VCC01803605407200変調率=0.2UV(度)線間電圧100%0%DutyVCC-VCC0VU線間電圧0%100%DutyVCC-VCC01803605407200変調率=0.3UV(度)線間電圧100%0%DutyVCC-VCC0VU線間電圧0%100%DutyVCC-VCC01803605407200変調率=0.4UV(度)線間電圧100%0%DutyVCC-VCC0VU線間電圧0%100%DutyVCC-VCC01803605407200変調率=0.5UV(度)線間電圧100%0%DutyVCC-VCC0VU線間電圧0%100%DutyVCC-VCC01803605407200変調率=0.6UV(度)線間電圧100%0%DutyVCC-VCC0VU線間電圧0%100%DutyVCC-VCC01803605407200変調率=0.7UV(度)線間電圧100%0%DutyVCC-VCC0VU線間電圧0%100%DutyVCC-VCC01803605407200変調率=0.8UV(度)線間電圧100%0%DutyVCC-VCC0VU線間電圧0%100%DutyVCC-VCC01803605407200変調率=0.9UV(度)線間電圧100%0%DutyVCC-VCC0VU線間電圧0%100%DutyVCC-VCC01803605407200変調率=1.0UV(度)線間電圧100%0%DutyVCC-VCC0VU線間電圧0%100%DutyVCC-VCC01803605407200変調率=1.03UV(度)線間電圧100%0%DutyVCC-VCC0VU線間電圧0%100%DutyVCC-VCC01803605407200変調率=1.06UV(度)線間電圧100%0%DutyVCC-VCC0VU線間電圧0%100%DutyVCC-VCC01803605407200変調率=1.09UV(度)線間電圧100%0%DutyVCC-VCC0VU線間電圧0%100%DutyVCC-VCC01803605407200変調率=1.12UV(度)線間電圧100%0%DutyVCC-VCC0VU線間電圧0%100%DutyVCC-VCC01803605407200変調率=1.1547UV(度)線間電圧100%0%DutyVCC-VCC0VU線間電圧0%100%DutyVCC-VCC3armmodulation2armmodulationUphasedutyVphasedutyU-Vlinetolinevoltage3相调制和2相调制的区别3相调制和2相调制的区别Modulationratio7-25THtHs调制率(ma)=Hs/HtMelcosim使用的线性调制率:ma(max)=1Vo(linetoline)(RMS)/VccSquarewave0.780.61linear过调制方波013.24ma3相调制的调制率和电压利用率3相调制的调制率和电压利用率7-26斩波控制模式斩波控制模式tontoffDuty=ton/(ton+toff)Duty=ModulationRatio/2+0.57-27CNDBPUWVUpUnVpWpVnWn逆变器整流器AC(50/60Hz)电机PKG２in１PKG６in１IGBTLossFWDiLoss每一个模块以及IGBT,FWDi的功耗差别很大。PKG１in１NPUpUnVpWpVnWnNPUpUnVpWpVnWnNPUpUnVpWpVnWnOnOnOn3相变频器的功耗(电机堵转)3相变频器的功耗(电机堵转)7-28斩波模式仿真斩波模式仿真②选择斩波模式①选择模块④单击所选模块名称所选模块的热阻仿真结果条件を入力③工作条件7-29120度直流无刷变频器的功耗仿真典型控制时序120度直流无刷变频器的功耗仿真典型控制时序上桥臂120度内斩波下桥臂常开120度输出电流波形7-30型号选择斩波模式输入电流输入母线电压输入开关频