干货|一文搞懂IGBT的损耗与结温计算

一点电子 2023-06-07 07:45

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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。

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

图 2. 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。

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

图 4. 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 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 6. 二极管反向恢复波形

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。

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。

图 7. 感性负载波形

图 7 显示了感性负载（如电机）的典型电压和电流波形。

从 t0 到 t1，电流为电抗性，二极管传导电流。

从 t1 到 t2，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 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：

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。

PDIODEpk = 50 W（在电压过零点）

T = 20 ms（50 Hz 正弦波）

t0 =0

t1 = 2.5 ms

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

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。

PIGBTpk = 95W

T = 20 ms（50 Hz 正弦波）

T1 = 2.5 ms

T2 = 10 ms (T/2)

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。

然后计算二极管导通期间的功耗

由于 t2 = T/2，故公式变为

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。

图 8. IGBT 热曲线

图 9. 二极管热曲线

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 0.486°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：

示例：

TC = 70°C

RΘJC-IGBT = 0.486°C/W

RΘJCdiode = 1.06°C/W

PD-IGBT = 54.84 W

PD-DIODE = 6.60 W

交互作用系数 Psi = 0.15°C/W

IGBT 的稳态结温为：

TJ-IGBT = 97.6°C（平均结温）

二极管的稳态结温为：

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；根据图 9，相同条件下的 RDIODE 值为 0.95°C/W。

基本公式如下：

因此，对于上述条件，峰值结温为：

= 120°C（峰值结温）

= 91°C（峰值结温）

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。

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