干货一文搞懂IGBT的损耗与结温计算.docx

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1、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、和交互作用系数。还需要知道每个器件的及其交互作用的PSi值。本应用笔记将简单说明如何测量功耗并计算二极管和IGBT芯片的温升。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

2、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。图1.TO-247封装，显示了IGBT芯片（左）和二极管芯片（右）IGBT开通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。IGBT导通损耗图3.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。IGBT关断开通、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

3、总功率损耗，须将这三个能量之和乘以开关频率。PlGBT=(Eon+Econd+EOff)fswIGBT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。图5.二极管导通损耗波形FWD反向恢复图5和图6显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。Pdiodu=(ECOfXj+Erev?Xsw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。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。V图7.感性负载波形图7显示了感性负载（如电

4、机）的典型电压和电流波形。从to到t,电流为电抗性，二极管传导电流。从h至Ut2,电流为阻性，IGBT传导电流。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。平均功耗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Oo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：二极管二极管在to到b期间传导电流。利用电压过零点的波形可得出

5、二极管的峰值功耗。知道此功耗值后，我们可以使用to到b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。PDlODEpk=50W（在电压过零点）T=20ms（50Hz正弦波）to=0t=2.5ms2W功率出现在进入周期后的2.5ms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2弧度处，相当于幅度12.5ms处的幅度为sin(2.5ms/10ms)或0.707,因此正弦波峰值处的功率为:50Wp*三O77=77wPCMOOe一 X T fix2 X O i ,20)70 7 a2 5 - 0 Ptxjoc=三-22.510.707-Ij=6

6、.60WIGBT对于正电压半周期，IGBT在t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。PlGBTpk=95WT=20ms(50Hz正弦波)Ti=2.5msT2=10ms(T2)对于IGBT分析，我们将计算完整半正弦波期间(to-t2)的IGBT功耗，然后计算二极管导通期间(to-)的IGBT功耗，再从前一功耗中减去后一功耗。PGBT(t2-t)=PpkX0.6366=950.6366=60.48W然后计算二极管导通期间的功耗PDlODE= -f由于t2=T2,故公式变为Poooee10=19.2511-0.707)三5.G4Wp2-n=60.4

7、8W-5.64W=M.4W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,并有一个交互作用系数Psio是从芯片到封装外壳或引线的热阻，它有不同的名称，例如Rjc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，0.15oCW是一个合理的估计值。图8.IGBT热曲线图8和图9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0.48oCW;对于二极管，它是1.06oCWo为了计算给定功率水平对应的

8、稳态温度，只需要功耗值、直流和外壳温度。计算如下：Tj-IGbt=IPlGBTR%c)+(PDlooFPSi)TcASETj,Dooe=IPdiodeXRHDlODE)+(PlGBTXPSi)+TcASE示例：Tc=70Rjc-igbt=0.486oCWRjcdiode=1.06oCWPd-igbt=54.84WPd-diode=6.60W交互作用系数Psi=0.15oCWIGBT的稳态结温为：Tjtgbt=(PIGBTXRoa)+IPD100eXPSi)+TcascTJ-IGBT=(54.840.486)+(6.600.15)+70Tj-Igbt=97.6(平均结温)二极管的稳态结温为:Tj

9、-oioOE=(PD100EX网DloOE)+PGBTXPSi)+TQASETj-d100c=(6.6X1.06)+(54.84X0.15)+70Tj-Diode=85.2(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50Hz的线频率下，半周期的时间为10mso根据图8,对于10ms脉冲和50%占空比，RIGBT值为0.375oCW;根据图9,相同条件下的RDIODE值为0.95OC/W。基本公式如下：TJpk-IGBT=TJ-IGBT+(IGBTXRIGBT)TjWDlODE=TJ-DIooE+(PDQDEXRDl8因此，对于上述条件，峰值结温为：TJPk-IGBT=976oC+(58.84WX0.375oCW)=120(峰值结温)TJPk-DWE=的2+(6.6WX0.95oCW)=91(峰值结温)总结仅使用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、和psi,便可计算平均和峰值结温值。