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IGBT模塊損耗、溫度與安全工作區

文章來(lái)源:http://www.wllre.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(lián)二極管(續流FWD、整流)芯片的損耗,它們各自發(fā)生的損耗的合計即為IGBT模塊整體發(fā)生的損耗。另外發(fā)生的損耗可分為穩態(tài)和交換損耗。如對上述內容進(jìn)行整理可表述如下。
IGBT并不是一個(gè)理想開(kāi)關(guān),主要體現在:

(1)IGBT在導通時(shí)有飽和電壓-Vcesat
(2)IGBT在開(kāi)關(guān)時(shí)有開(kāi)關(guān)能耗-Eon和Eoff

這是IGBT產(chǎn)生損耗的根源。Vcesat造成導通損耗,Eon和Eoff造成開(kāi)關(guān)損耗。
導通損耗 + 開(kāi)關(guān)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(shí)有正向導通電壓:Vf;
(2)在反向恢復的過(guò)程中有反向恢復能耗:Erec。

Vf造成導通損耗,Erec造成開(kāi)關(guān)損耗。
導通損耗 + 開(kāi)關(guān)損耗 = FWD總損耗
Vcesat,Eon,Eoff,Vf和Erec體現了IGBT/FWD芯片的技術(shù)特征。因此IGBT/FWD芯片技術(shù)不同,Vcesat,Eon,Eoff,Vf和Erec也不同。
IGBT的總損耗可分為靜態(tài)損耗和動(dòng)態(tài)損耗。其中靜態(tài)損耗包括通態(tài)損耗和斷態(tài)損耗;動(dòng)態(tài)損耗(開(kāi)關(guān)損耗),包括開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗。器件處于關(guān)斷時(shí),器件中流過(guò)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(tài)損耗的時(shí)候,可以不考慮斷態(tài)損耗。我們平常所說(shuō)的靜態(tài)損耗,一般是指通態(tài)損耗。

IGBT模塊的損耗-IGBT導通損耗:
IGBT開(kāi)通后,工作在飽和狀態(tài)下,IGBT集射極間電壓基本不變,約等于飽和電壓Vcesat。
IGBT通態(tài)損耗是指IGBT導通過(guò)程中,由于導通壓降Vcesat而產(chǎn)生的損耗。
Vcesat和Ic的關(guān)系可以用下圖的近似線(xiàn)性法來(lái)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(guò)的電流Ic,芯片的結溫Tj和門(mén)極電壓Vge有關(guān)。
模塊規格書(shū)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(shū)里給出了兩個(gè)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(chēng)電流),VGE=+15V。
IGBT模塊的損耗-IGBT開(kāi)關(guān)損耗:
IGBT之所以存在開(kāi)關(guān)能耗,是因為在開(kāi)通和關(guān)斷的瞬間,電流和電壓有重疊期。
隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的提高,開(kāi)關(guān)損耗在整個(gè)器件損耗中的比例也變得比較大,開(kāi)關(guān)損耗包括開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗兩部分。在給定環(huán)境條件下,器件導通或關(guān)斷時(shí)的能量損耗(焦耳)可以通過(guò)間接地將電流和電壓相乘再對時(shí)間積分這種方法得到,同時(shí)需考慮實(shí)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(kāi)關(guān)損耗:
PSW = Fsw * (Eon + Eoff),fSW為開(kāi)關(guān)頻率。
IGBT開(kāi)關(guān)能耗的大小與開(kāi)關(guān)時(shí)的電流(Ic)、電壓(Vce)和芯片的結溫(Tj)有關(guān)。
模塊規格書(shū)里給出了IGBT開(kāi)關(guān)能耗的特征值:Eon,Eoff及測試條件。
英飛凌的IGBT模塊規格書(shū)里給出了兩個(gè)測試條件下的開(kāi)關(guān)能耗特征值:
(1)Tj=25度;(2)Tj=125度。電流均為IC,NOM(模塊的標稱(chēng)電流)。
IGBT模塊的損耗-FWD開(kāi)關(guān)損耗:
反向恢復是FWD的固有特性,發(fā)生在由正向導通轉為反向阻斷的瞬間,表現為通過(guò)反向電流后再恢復為反向阻斷狀態(tài)。
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(kāi)關(guān)損耗:
Prec = fSW * Erec,fSW為開(kāi)關(guān)頻率。
FWD反向恢復能耗的大小與正向導通時(shí)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(guān)。
模塊規格書(shū)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(shū)里給出了兩個(gè)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(chēng)電流)。
IGBT模塊的損耗-小結:
IGBT:
導通損耗:

(1)與IGBT芯片技術(shù)有關(guān)
(2)與運行條件有關(guān):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(dòng)條件有關(guān):隨Vge的增加而減小

開(kāi)關(guān)損耗:

(1)與IGBT芯片技術(shù)有關(guān)
(2)與工作條件有關(guān):與開(kāi)關(guān)頻率、電流、電壓成正比,隨Tj升高而增加。
(3)與驅動(dòng)條件有關(guān):隨Rg的增大而增大,隨門(mén)極關(guān)斷電壓的增加而減小。

FWD:
導通損耗:

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

開(kāi)關(guān)損耗:

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

系統總的損耗:
單個(gè)IGBT總的損耗PTr為通態(tài)損耗與開(kāi)關(guān)損耗之和,單個(gè)反并聯(lián)二極管總的損耗PD為通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗之和。以變頻器為例,系統總的損耗Ptot為6個(gè)IGBT和6個(gè)二極管損耗之和。
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