IGBT损耗、温度与安全运行

梁知宏IFCNAIM2007.09页2IGBT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。梁知宏IFCNAIM2007.09页3IGBT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=+15V梁知宏IFCNAIM2007.09页4IGBT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）。梁知宏IFCNAIM2007.09页5IGBT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）。梁知宏IFCNAIM2007.09页6IGBT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）。梁知宏IFCNAIM2007.09页7IGBT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。梁知宏IFCNAIM2007.09页8IGBT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TjTj=∆Tjc+∆Tch+∆Tha+Ta梁知宏IFCNAIM2007.09页9IGBT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。梁知宏IFCNAIM2007.09页10IGBT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。梁知宏IFCNAIM2007.09页11IGBT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。瞬态热阻抗模型梁知宏IFCNAIM2007.09页12IGBT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。梁知宏IFCNAIM2007.09页13IGBT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„电压：Vce≤VCES（即IGBT的电压规格）Vge≤VGES（±20V）„电流：由RBSOA规定了在连续开关工作条件下，不超过2×IC,NOM。规格书中的RBSOA定义了IGBT所允许关断的最大电流。梁知宏IFCNAIM2007.09页14IGBT模块的安全运行