一文搞懂IGBT的损耗与结温计算,图文结合+计算公式步骤

元件/连接器 时间:2024-07-11来源:李工谈元器件

今天给大家分享的是:IGBT的损耗与结温计算。

与大多数功率半导体相比,IGBT 通常需要更复杂的一组计算来确定芯片温度。这是因为大多数 IGBT 都采用一体式封装,同一封装中同时包含 IGBT 和二极管芯片。为了知道每个芯片的温度,有必要知道每个芯片的功耗、频率、θ 和交互作用系数。还需要知道每个器件的 θ 及其交互作用的 psi 值。

这里将主要介绍一下:如何测量功率计算二极管和IGBT芯片的温升。

一、损耗组成部分

根据电路拓扑和工作条件,两个芯片之间的功率损耗可能会有很大差异。IGBT 的损耗可以分解为导通损耗和开关(开通和关断)损耗,而二极管损耗包括导通和关断损耗。准确测量这些损耗通常需要使用示波器,通过电压和电流探针监视器件运行期间的波形。测量能量需要用到数学函数。

确定一个开关周期的总能量后,将其除以开关周期时间便可得到功耗。

TO−247 封装,显示了 IGBT 芯片(左)和二极管芯片(右)

二、IGBT开通

IGBT 开通损耗波形

将开通波形的电压和电流相乘,即可计算出该周期的功率。功率波形的积分显示在屏幕底部。这就得出了 IGBT 开通损耗的能量。

功率测量开始和结束的时间点可以任意选择,但是一旦选定了一组标准,测量就应始终遵循这些标准。

二、IGBT导通损耗

IGBT 传导损耗波形

导通损耗发生在开通损耗区和关断损耗区之间。同样应使用积分,因为该周期内的功率并不是恒定的。

三、IGBT关断

IGBT 关断损耗波形

开通、导通和关断损耗构成了 IGBT 芯片损耗的总和。关断状态损耗可以忽略不计,不需要计算。为了计算 IGBT 的总功率损耗,须将这三个能量之和乘以开关频率。

IGBT 的总功率损耗

IGBT 损耗必须使用阻性负载或在负载消耗功率的部分周期内进行测量。这样可消除二极管导通。

二极管导通损耗波形

四、FWD反向恢复

二极管反向恢复波形

上面2个图示了二极管在整流器或电抗模式下工作期间的电流和电压波形。二极管损耗的计算类似于 IGBT 损耗。

二极管损耗

需要了解的是,损耗以半正弦波变化。需要考虑从峰值到过零的变化,以得出器件的平均功耗。

五、IGBT 和二极管功耗计算

测量完这五个损耗分量后,需要将它们与测量条件相关联,以便计算每个芯片的总功耗。

感性负载波形

上图显示了感性负载(如电机)的典型电压和电流波形。

这些时间段的功耗具有重要价值。基于单个脉冲计算每个时间段的平均功耗非常复杂,但我们可以合理的精度进行估算。为此,我们需要计算该时间段的平均功耗。

在这种情况下,有必要计算平均(或加热)当量。对于电压和电流值,它是均方根值;对于功率,它是平均值。

六、平均功耗

平均功耗公式

此公式计算的是正弦波每个四分之一部分的功率,因此要进行校正,我们需要在分母中添加一个因子 4。只要电压过零点在 0° 和 90°之间(对于感性负载必定如此),这就是有效的,故公式变为:

平均功耗公式

七、二极管

二极管在 t0 到 t1 期间传导电流。利用电压过零点的波形可得出二极管的峰值功耗。知道此功耗值后,我们可以使用 t0 到 t1 期间的平均功耗公式来求得二极管的平均功耗。

此时间段的示例计算如下所示。

2 W 功率出现在进入周期后的 2.5 ms 时。要计算正弦波峰值处的等效功率,我们需要比较这两点的幅度。

峰值幅度出现在 90° 或 π/2 弧度处,相当于幅度 1。2.5 ms 处的幅度为 sin(π × 2.5 ms/10 ms) 或 0.707,因此正弦波峰值处的功率为:

IGBT正弦波峰值处的功率

对于正电压半周期,IGBT 在 t1 到 t2 期间传导电流。IGBT 的平均功耗计算与二极管功耗的计算方法类似。其示例计算如下所示。

对于 IGBT 分析,我们将计算完整半正弦波期间 (t0 – t2) 的 IGBT 功耗,然后计算二极管导通期间 (t0 – t1) 的 IGBT 功耗,再从前一功耗中减去后一功耗。

IGBT 功耗半正弦波期间 (t0 – t2)

然后计算二极管导通期间的功耗:

二极管导通期间的功耗

由于 t2 = T/2,故公式变为:

IGBT功耗计算

八、芯片温度计算

一旦计算出两个芯片的功耗值,就可以使用数据表中的曲线计算芯片温度。两个芯片的温度一般不相同。每个芯片有一个 θ,并有一个交互作用系数 Psi。

θ 是从芯片到封装外壳或引线的热阻,它有不同的名称,例如 RΘJC 是结至外壳热阻。Psi 是一个常数,表示芯片中未被计算的热效应。它基于芯片之间的距离。

通常,对于 IGBT 使用的大多数 TO-247 和 TO-220 封装,0.15°C/W 是一个合理的估计值。

IGBT 热曲线

二极管热曲线

上面2图显示了典型封装中 IGBT 和二极管的热响应曲线。曲线上给出了直流值。对于 IGBT,它是 0.486°C/W;对于二极管,它是 1.06°C/W。

为了计算给定功率水平对应的稳态温度,只需要功耗值、直流 θ 和外壳温度。计算如下:

给定功率水平对应的稳态温度

示例:

IGBT 的稳态结温为:

IGBT 的稳态结温

TJ-IGBT = 97.6°C(平均结温)

二极管的稳态结温为:

二极管的稳态结温

TJ-DIODE = 85.2°C(平均结温)

为了计算峰值结温,我们可以将脉冲值增加到稳态(或平均)温度中。此计算需要上述计算得出的结温,并加上瞬时温度变化。

唯一需要的新常数是 IGBT 或二极管对于所需脉冲宽度的脉冲值。在 50 Hz 的线频率下,半周期的时间为 10 ms。根据图 8,对于 10 ms 脉冲和 50% 占空比,RIGBT 值为 0.375°C/W;根据上图,相同条件下的 RDIODE 值为 0.95°C/W。

基本公式如下:

峰值结温计算公式

因此,对于上述条件,峰值结温为:

IGBT峰值结温

= 120°C(峰值结温)

二极管峰值结温

= 91°C(峰值结温)

九、总结

仅使用 θ 值无法计算多芯片封装中的结温。利用从数字示波器获得的波形和数学公式,可以计算每个器件的功耗。给定 IGBT 的功耗、θ 和 psi,便可计算平均和峰值结温值。

关键词: IGBT 损耗 温升

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