IGBT损耗的计算步骤与方法

IGBT损耗的计算步骤与方法

作者：微叶科技 时间：2015-09-08 17:50

       国内外有很多专家学者对IGBT器件的损耗模型进行了较深入的研究，还将损耗模型主要分为两大类：基于物理结构的IGBT损耗模型和基于数学结构的IGBT损耗模型。
       基于物理结构的损耗模型通过分析IGBT/DIODE的物理结构和内部载流子的工作情况，采用电容、电阻、电感、电流源、电压源等一些相对简单的元件模拟出IGBT的特性，利用仿真软件仿真IGBT在各种工作情况下的电压、电流波形。从而计算得到IGBT的损耗。
       基于数学方法的IGBT损耗模型与器件的具体类型无关，它是基于大量数据的测量，试图寻找出功耗与各个因素的数量关系。
       然而，在工程实践中工程师一般不会消耗大量的时间来进行计算，所以本文就是在介绍基本原理的基础上，参考相应的资料结合实践给出合适的计算方法。
       IGBT 典型的电压/电流曲线（VCE/ICE）如图1所示。这个曲线可以用门限电压加电阻电压叠加的方法来进行线性化，即

          （1）

       式中，ICN和VCEN为额定电流下的额定电压（由制造商提供，不同的IGBT模块略有不同）。
       二极管的正向导通电压满足指数规律，但在工作范围内，也可以近似为一线性方程：

              （2）

        式中，VFN为额定电流下的二极管电压降；为VFO为门槛电压，典型值为0.7V。

 

图1 IGBT模块IGBT典型的电压/电流曲线（VCE/ICE）

1. 损耗计算
         由于二极管的计算方法与IGBT基本相同，所以下文主要分析的是IGBT部分。假设电源的开关波形如图2所示。

 

图2 电源开关波形

（1）功率损耗
        计算IGBT的功率损耗，首先来计算1个脉冲中的损耗，单个脉冲中包括导通损耗和开关损耗，如图3所示。

 

图3 单个脉冲IGBT的功率损耗

       1）使用VCE(sat），VSIC特性曲线计算导通损耗，一般采用TJ=25℃时的特性曲线。

       （3）

2）开关损耗
       开关损耗可用实际电压电流波形在开通和关断时间内的积分来求得。

        （4）

        式中，n为分割数，如图4所示，将ta至tb之间的区间n等分，计算每个区间的平均功耗，Eoff采用同样的计算方法。

 

图4 开关损耗积分时间区域ta~tb

 
        由公式（3）和公式（4）可以得到一个脉冲中的损耗为

E1=Esat+Eon+Eoff           （5）

2. 平均功率的计算
       1个脉冲内平均功耗为

                   （6）

       用矩形波形近似得到图5所示的电源驱动波形。

 

图5 矩形波形示意图

       计算tw2期间内的平均功耗，如图6所示，即

            （7）

       式中，N为tw2期间内的脉冲个数。

 

  图6 矩形平均功耗波示意图

        计算电源整体的平均功耗，如图6所示，即

              （8）

       了解IGBT功率损耗的计算，对测量电源的稳定型、预测使用寿命有重要的作用，由于IGBT的型号各异，工程人员在使用IGBT时，一定要参考其使用手册中关于功率损耗的部分，在充分了解器件特性的前提下，结合设计对象，对产品的损耗进行计算。



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