如何计算IGBT的损耗和结温?

2019-10-07 21:42:40 Westpac Electronics
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IGBT作为电力电子领域的核心元件之一,其结温Tj高低,不仅影响IGBT选型与设计,还会影响IGBT可靠性和寿命。因此,如何计算IGBT的结温Tj,已成为大家普遍关注的焦点。由最基本的计算公式Tj=Ta+Rth(j-a)*Ploss可知,损耗Ploss和热阻Rth(j-a)是Tj计算的关键。

1. IGBT损耗Ploss计算基础知识

图1  IGBT导通损耗和开关损耗示意图

图1  IGBT导通损耗和开关损耗示意图

如上图1所示,IGBT的损耗Ploss主要分为导通损耗Pcond和开关损耗Psw两部分。

1.1 IGBT导通损耗Pcond

IGBT的导通损耗Pcond主要与电流Ic、饱和压降Vce和导通时间占空比D有关,如公式1所示:

1

其中,电流Ic(t)和占空比D(t)都是随时间变化的函数,而IGBT饱和压降Vce(Ic,Tj),不仅与电流Ic大小,还与IGBT此时结温Tj相关,如下图2所示:

图2  不同温度IGBT饱和压降示意图

图2  不同温度IGBT饱和压降示意图

为简化计算,先将饱和压降Vce(Ic,Tj)近似为Ic的线性函数Vce(Ic)如公式2所示:

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其中,rT为近似曲线的斜率,即∆Vce/∆Ic,VT0为该曲线与X轴的交点电压值。

 图3  IGBT饱和压降随不同结温Tj的变化

 图3  IGBT饱和压降随不同结温Tj的变化

考虑到Vce与Tj近似线性的关系,如上图3所示,将Tj的影响因子加入公式(2),得到Vce(Ic,Tj)饱和压降的线性函数,如公式(3)、(4)、(5)所示:

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其中,TCV和TCr分别为VT0和rT的温度影响因子,可根据25°C和125°C(或150°C)两点温度计算而得。

基于上述思路,我们可以将IGBT的导通损耗Pcond计算出来。

1.2 IGBT开关损耗Psw

 IGBT的开关损耗Psw主要与母线电压Vcc、电流Ic、开关频率fsw、结温Tj、门级电阻Rg和回路电感Lce有关,如公式6所示:

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其中,Esw_ref为已知参考电压电流、门级电阻、温度Tj和回路电感下的损耗值,Ki为电流折算系数,Kv为电压折算系数,K(Tj)为温度折算系数,K(Rg)和K(Ls)分别为门级电阻和回路电感的折算系数。

通常而言,折算系数Ki、K(Tj)和K(Rg),可由Datasheet相关曲线直接估算出来,以1200V/600A的半桥模块SEMiX603GB12E4p为例进行分析,如下:

图4  IGBT开关损耗Esw随电流Ic的变化

图4  IGBT开关损耗Esw随电流Ic的变化

图5  IGBT开关损耗Esw随结温Tj的变化

图5  IGBT开关损耗Esw随结温Tj的变化

由图4所示,该IGBT模块额定电流为600A,取Ki=1.0,在800A(565Arms)电流以下,两者匹配度很好;在800A以上,不常用,属于过流等极端工况。

由图5所示,IGBT的开关Esw与结温Tj之间关系,可用线性函数去拟合,如下公式:

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一般IGBT的TCsw约为0.003,以图5的损耗数据为例,也可由两点温度去算TCsw,即:

1

关于门级电阻Rg的折算系数K(Rg),是工程师很关心,也很容易忽略的因素。在Datasheet中都会有一组供参考的Rg_ref(Rgon/Rgoff)及其损耗数据Esw,而实际使用的门级阻值Rg_Spec,未必相同,此时如何折算呢?其实,思路也很简单。以图6曲线为例,假定其Datasheet中参考的门级电阻为Rgon/Rgoff=1.5Ω,而实际使用的电阻为Rgon=4Ω和Rgoff=6Ω,则折算系数K(Rg)为:

2

由此可见,单纯用Datasheet中参考的门级电阻去计算损耗,很可能与实际出入很大。

图6 不同门级电阻对开关损耗的影响

图6 不同门级电阻对开关损耗的影响

此外,IGBT的母线电压Vcc折算系数Kv相对比较隐晦,无法直接从Datasheet中抓出来;同时,该值也会受到模块和母线杂散电感等其他因素的影响,很难估算,建议进行双脉冲损耗测试。关于IGBT的折算系数Kv,赛米控的取值约在1.3~1.4。图7是,赛米控1700V的SkiiP4智能功率模块(IPM)损耗测试的数据曲线,当Kv取1.0时,与测试数据差距较大;而Kv取1.4时,两者几乎重合。

图7 不同母线电压Vcc与开关损耗Esw关系

图7 不同母线电压Vcc与开关损耗Esw关系

最后,就是最容易被忽略的回路电感折算系数K(Ls)。Datasheet相关的损耗数据和曲线的测试,都是建立在模块厂家各自测试平台的回路电感参考值Ls(即模块寄生电感之外的主回路电感,包含功率母排和母线电容等的寄生电感)的基础上,而且门级的参考电阻Rgon/Rgoff也会深受该值的约束,如图8所示。 

图8 回路电感Ls与IGBT参考值

图8 回路电感Ls与IGBT参考值

此外,由于每个客户的设计和应用场合不同,其回路电感Ls也不尽相同,甚至差异很大。尤其,当实际的回路电感Ls比Datasheet参考值大很多时,不仅影响本身的开关损耗,还会引起电压电流的应力问题;有时为了限制IGBT关断电压尖峰,不得不增加门级电阻Rg,以牺牲开关损耗为代价,去降低IGBT开关速度和电压尖峰。因此,该值的影响很难去做量化评估,只能暂且让K(Ls)=1。但是,在设计初期评估IGBT损耗时,应充分考虑实际设计的回路电感Ls与Datasheet参考值的差异大小,及其带来的损耗计算误差。

至此,IGBT损耗计算的基础知识交待完毕,该损耗算法思路同样适用于FWD,只是上述各个影响因子的系数可能略有差别。

2. IGBT损耗计算举例

第一部分的基础知识,主要分析了某个开关周期中的损耗算法及其影响因子。不同的电力电子拓扑和调制方式,对应不同的损耗计算公式。在此,我们以两电平三相逆变器为例,结合赛米控的IGBT模块产品和官方损耗仿真软件SemiSel,计算IGBT在实际系统中不同工况下的损耗Ploss和结温Tj。

 2.1 三相逆变器损耗的SemiSel仿真(典型工况)

图9 三相逆变器拓扑示意图

图9 三相逆变器拓扑示意图

图10三相逆变器电流电压波形示意图

图10三相逆变器电流电压波形示意图

图9和10是典型的SPWM调制的逆变器波形示意图。基本算法是,先根据损耗公式算出IGBT、FWD的平均损耗Pv(av),然后以正弦半波函数Pv(t)来近似等效,再乘以热阻抗网络Zth,最终可得到Tj波形的最大值Tj(max)和均值Tj(av),如图11所示。此外,损耗Pv(t)本身是随Tj而变化的,因此,上述Tj的运算需经过多次迭代完成。

图11从平均损耗Pv(av)到Tj(max)波形示意图

图11从平均损耗Pv(av)到Tj(max)波形示意图

值得一提的是,仅用IGBT平均损耗Pv(av)去计算,得到的平均结温Tj(av),无法体现实际IGBT结温Tj(t)的波动。在相同的平均损耗Pv(av)时,低频输出(小于10Hz)的结温峰值Tj(max)更高更恶劣,如下图12所示:

图12 Tj(max)随不同输出频率fout的变化

图12 Tj(max)随不同输出频率fout的变化 

以三相逆变器典型的工况为例,在使用SemiSel进行仿真时,如图13,有几点需要注意:

1) 过载条件的设置:过载倍数、时间、最低输出频率;

2) 门级电阻对开关损耗的影响;

3) 散热条件的设置:开关数量、并联数量、热阻系数;

其中,散热条件的设置,在堵转工况时有所不同。SemiSel仿真结果,见图14所示。

图13 三相逆变器SemiSel仿真注意事项

图13 三相逆变器SemiSel仿真注意事项

图14 三相逆变器SemiSel仿真结果

图14 三相逆变器SemiSel仿真结果

2.2 三相逆变器堵转的SemiSel仿真设置(特殊工况)
无论额定工况还是过载输出,其输出电流都是交变的,全部6个IGBT/FWD在交替导通,即三个半桥模块的损耗比例是1:1:1;而在逆变器堵转时,其输出电流是直流的,类似三个Buck电路在工作,一半的IGBT/FWD在开关,此时,三个半桥的电流比例大约1:0.5:0.5,相当于2个完整的IGBT/FWD。因此,在SemiSel里,除了选择Buck电路来仿真堵转外,散热器的开关数量N和散热器热阻Rth(s-a)的设置,应分别取N=2和Heatsink CF=1.5,如图14所示。

图15 三相逆变在堵转时的散热器参数设置

图15 三相逆变在堵转时的散热器参数设置

3. IGBT损耗计算的误差

最后,大家都会问一个同样的问题,与实测相比,损耗计算或者SemiSel仿真误差怎么样?

首先,仿真无法替代实测。其次,仿真有误差,测试其实也有误差,两者应该相互参照。最后,毫无疑问,应以实测为准。另外,如何看待仿真,我觉得需要分阶段来看:在项目初步选型阶段,实测不便,更多的是基于Datasheet进行损耗与结温Tj的计算与评估,此时更看重的是,各家模块在相同的仿真算法框架下的横向性能对比。在选型确定和样品实测阶段,基于实际测试平台,用双脉冲实验,把优化后的损耗数据库,去更新和替代项目初期的Datasheet损耗数据,然后对比分析仿真与实测的差异,不断优化算法的各种影响因子,以达到设计允许的误差和余量要求,最后在微处理器中以代码实现。因此,所谓的误差,是一个动态变化和调整的过程,不能一概而论。


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