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IGBT模块的损耗.pdf

IGBT模块的损耗.pdf

上传者: 瑶老大 2011-12-29 评分1 评论0 下载106 收藏10 阅读量482 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《IGBT模块的损耗pdf》,可适用于电信技术领域,主题内容包含梁知宏IFCNAIM页IGBT模块的损耗、温度和安全运行梁知宏IFCNAIM页IGBT模块的损耗„IGBT模块的损耗源于内部IGBT和二极管(续流F符等。

梁知宏IFCNAIM2007.09页1IGBT模块的损耗、温度和安全运行梁知宏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+RceIc„IGBT的导通损耗:Pcond=d*VcesatIc,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=25C;2)Tj=125C。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=EONIc/IC,NOMVce/测试条件Eoff=EOFFIc/IC,NOMVce/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=25C;2)Tj=125C。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+RdIf„FWD的导通损耗:Pf=d*VfIf,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=25C;2)Tj=125C。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=ERECIf/IF,NOMVr/测试条件„FWD的开关损耗:Prec=fswErec,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=25C;2)Tj=125C。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=RthchpermodulenRthchperarm=Rthch_IGBT//Rthch_FWDRthha值的换算:Rthhaperarm=Rthhan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_peak125C(150C*)模块规格书给出了两个IGBT最高允许结温:Tjmax=150C(175C*)-指无开关运行的恒导通状态下;Tvj(max)=125C(150C*)-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:VceVCES(即IGBT的电压规格)VgeVGES(20V)„电流:由RBSOA规定了在连续开关工作条件下,不超过2IC,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IGBTÄéµÄËðºÄIGBTÄéµÄËðºÄ-IGBTµÍËðºÄIGBTÄéµÄËðºÄ-IGBTªØËðºÄIGBTÄéµÄËðºÄ-FWDµÍËðºÄIGBTÄéµÄËðºÄ-FWDªØËðºÄIGBTÄéµÄËðºÄ-ÐáIGBTÄéµÄÎÂÈIGBTÄéµÄÎÂÈIGBTÄéµÄÎÂÈIGBTÄéµÄÎÂÈIGBTÄéµÄÎÂÈ-ÐáIGBTÄéµÄÈÔËÐÐIGBTÄéµÄÈÔËÐÐ

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