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                IGBT模塊損耗、溫度與安全工作區

                文章來源:http://www.xudaoyu.cn/
                IGBT
                模塊的損耗:
                IGBT模塊由IGBT部分和FWD部分構成,IGBT模塊的損耗源于內部IGBT和反并聯二極管(續流FWD、整流)芯片的損耗,它們各自發生的損耗的合計即為IGBT模塊整體發生的損耗。另外發生的損耗可分為穩態和交換損耗。如對上述內容進行整理可表述如下。
                IGBT并不是一個理想開關,主要體現在:

                (1)IGBT在導通時有飽和電壓-Vcesat
                (2)IGBT在開關時有開關能耗-Eon和Eoff

                這是IGBT產生損耗的根源。Vcesat造成導通損耗,Eon和Eoff造成開關損耗。
                導通損耗 + 開關損耗 = IGBT總損耗。

                FWD也存在兩方面的損耗,因為:

                (1)在正向導通(即續流)時有正向導通電壓:Vf;
                (2)在反向恢復的過程中有反向恢復能耗:Erec。

                Vf造成導通損耗,Erec造成開關損耗。
                導通損耗 + 開關損耗 = FWD總損耗
                Vcesat,Eon,Eoff,Vf和Erec體現了IGBT/FWD芯片的技術特征。因此IGBT/FWD芯片技術不同,Vcesat,Eon,Eoff,Vf和Erec也不同。
                IGBT的總損耗可分為靜態損耗和動態損耗。其中靜態損耗包括通態損耗和斷態損耗;動態損耗(開關損耗),包括開通損耗和關斷損耗。器件處于關斷時,器件中流過的電流約等于零,電壓、電流乘積很小,可以忽略不計,因此計算靜態損耗的時候,可以不考慮斷態損耗。我們平常所說的靜態損耗,一般是指通態損耗。

                IGBT模塊的損耗-IGBT導通損耗:
                IGBT開通后,工作在飽和狀態下,IGBT集射極間電壓基本不變,約等于飽和電壓Vcesat。
                IGBT通態損耗是指IGBT導通過程中,由于導通壓降Vcesat而產生的損耗。
                Vcesat和Ic的關系可以用下圖的近似線性法來表示:
                Vcesat = Vt0 + Rce * Ic
                IGBT的導通損耗:
                Pcond = d * Vcesat * Ic,其中d為IGBT的導通占空比。
                IGBT飽和電壓的大小,與通過的電流Ic,芯片的結溫Tj和門極電壓Vge有關。
                模塊規格書里給出了IGBT飽和電壓的特征值:Vcesat,及測試條件。
                英飛凌的IGBT模塊規格書里給出了兩個測試條件下的飽和電壓特征值:
                (1)Tj=25度;(2)Tj=125度。電流均為Ic,nom(模塊的標稱電流),VGE=+15V。
                IGBT模塊的損耗-IGBT開關損耗:
                IGBT之所以存在開關能耗,是因為在開通和關斷的瞬間,電流和電壓有重疊期。
                隨著開關頻率的提高,開關損耗在整個器件損耗中的比例也變得比較大,開關損耗包括開通損耗和關斷損耗兩部分。在給定環境條件下,器件導通或關斷時的能量損耗(焦耳)可以通過間接地將電流和電壓相乘再對時間積分這種方法得到,同時需考慮實際電流與參考電流之間的差異。
                在Vce與測試條件接近的情況,Eon和Eoff可近似地看作與Ic和Vce成正比:
                Eon = EON * IC/IC,NOM * Vce / 測試條件
                Eoff = EOFF * IC/IC,NOM * Vce / 測試條件
                IGBT的開關損耗:
                PSW = Fsw * (Eon + Eoff),fSW為開關頻率。
                IGBT開關能耗的大小與開關時的電流(Ic)、電壓(Vce)和芯片的結溫(Tj)有關。
                模塊規格書里給出了IGBT開關能耗的特征值:Eon,Eoff及測試條件。
                英飛凌的IGBT模塊規格書里給出了兩個測試條件下的開關能耗特征值:
                (1)Tj=25度;(2)Tj=125度。電流均為IC,NOM(模塊的標稱電流)。
                IGBT模塊的損耗-FWD開關損耗:
                反向恢復是FWD的固有特性,發生在由正向導通轉為反向阻斷的瞬間,表現為通過反向電流后再恢復為反向阻斷狀態。
                在Vr與測試條件接近的情況,Erec可近似地看作與If和Vr成正比:
                Erec = EREC * If /IF,NOM * Vr/測試條件
                FWD的開關損耗:
                Prec = fSW * Erec,fSW為開關頻率。
                FWD反向恢復能耗的大小與正向導通時的電流(If)、電流變化率dif/dt、反向電壓(Vr)、和芯片的結溫(Tj)有關。
                模塊規格書里給出了IGBT反向恢復能耗的特征值:EREC,及測試條件。
                英飛凌的IGBT模塊規格書里給出了兩個測試條件下的反向恢復能耗特征值:
                (1)Tj=25度;(2)Tj=125度。電流均為IF,NOM(模塊的標稱電流)。
                IGBT模塊的損耗-小結:
                IGBT:
                導通損耗:

                (1)與IGBT芯片技術有關
                (2)與運行條件有關:與電流成正比,與IGBT占空比成正比,隨Tj升高而增加。
                (3)與驅動條件有關:隨Vge的增加而減小

                開關損耗:

                (1)與IGBT芯片技術有關
                (2)與工作條件有關:與開關頻率、電流、電壓成正比,隨Tj升高而增加。
                (3)與驅動條件有關:隨Rg的增大而增大,隨門極關斷電壓的增加而減小。

                FWD:
                導通損耗:

                (1)與FWD芯片技術有關
                (2)與工作條件有關:與電流成正比,與FWD占空比成正比。

                開關損耗:

                (1)與FWD芯片技術有關
                (2)與工作條件有關:與開關頻率、電流、電壓成正比,隨Tj升高而增加。

                系統總的損耗:
                單個IGBT總的損耗PTr為通態損耗與開關損耗之和,單個反并聯二極管總的損耗PD為通態損耗和開關損耗之和。以變頻器為例,系統總的損耗Ptot為6個IGBT和6個二極管損耗之和。
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