0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

一文搞懂IGBT的损耗与结温计算

安森美 来源:安森美 2023-02-01 09:47 次阅读

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。

IGBT开通

116848e4-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

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。

1175ff02-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

IGBT导通损耗

118135ca-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

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

11942400-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

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。

1175ff02-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png11b99406-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

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。

11c94680-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

图 5. 二极管导通损耗波形

FWD反向恢复

11e701ac-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

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。

1175ff02-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png1218851a-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

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。

12299986-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

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

1239eb60-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

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:

1175ff02-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

1255f396-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

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:

1268a3d8-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

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。

1175ff02-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png1286b940-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

然后计算二极管导通期间的功耗

1175ff02-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

12a9ba58-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

由于 t2 = T/2,故公式变为

12b77bde-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

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。

12cb4f10-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

图 8. IGBT 热曲线

1175ff02-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

12ea3d3a-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

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:

12f7917e-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

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:

1175ff02-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

1316f640-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

TJ-IGBT = 97.6°C(平均结温)

二极管的稳态结温为:

1175ff02-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

133d854e-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

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:

1175ff02-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

13603f58-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

因此,对于上述条件,峰值结温为:

1175ff02-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png 137a5dc0-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

= 120°C(峰值结温)

1175ff02-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png13993cf4-a1d2-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

= 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

审核编辑:汤梓红

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 二极管
    +关注

    关注

    148

    文章

    9846

    浏览量

    168273
  • 整流器
    +关注

    关注

    28

    文章

    1597

    浏览量

    92744
  • 封装
    +关注

    关注

    127

    文章

    8105

    浏览量

    143769
  • IGBT
    +关注

    关注

    1270

    文章

    3862

    浏览量

    250839
  • 损耗
    +关注

    关注

    0

    文章

    198

    浏览量

    16108

原文标题:干货 | 一文搞懂IGBT的损耗与结温计算

文章出处:【微信号:onsemi-china,微信公众号:安森美】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    相关推荐

    IGBT损耗计算

    【导读】与大多数功率半导体相比,IGBT 通常需要更复杂的计算来确定芯片温度。 这是因为大多数 IGBT 都采用体式封装,同
    发表于 02-24 17:05 1146次阅读

    IGBT损耗和温度估算

    、Eoff 和 Erec ) 进 行准确测量,建立了种通用的功率器件导通损耗和开关损耗模型。在考虑 IGBT 芯片间热偶合影响基础上 提出了
    发表于 03-06 15:02 3198次阅读

    通过热敏电阻,如何计算IGBT

    IGBT模块中通常都会在陶瓷基板(DBC)上设有热敏电阻(NTC或PTC,由于NTC较为常用,以下统称NTC)用于温度检测。在实际应用中,工程师最直接也是最常见的个问题就是:我检测到了NTC的温度,那么IGBT真实的
    发表于 05-05 10:52 3507次阅读
    通过热敏电阻,如何<b class='flag-5'>计算</b><b class='flag-5'>IGBT</b><b class='flag-5'>结</b><b class='flag-5'>温</b>?

    如何计算IGBT损耗呢?

    IGBT作为电力电子领域的核心元件之,其Tj高低,不仅影响IGBT选型与设计,还会影响IGBT
    发表于 07-07 16:11 1w次阅读
    如何<b class='flag-5'>计算</b><b class='flag-5'>IGBT</b>的<b class='flag-5'>损耗</b>和<b class='flag-5'>结</b><b class='flag-5'>温</b>呢?

    如何通过热敏电阻计算IGBT

    IGBT模块中通常都会在陶瓷基板(DBC)上设有热敏电阻(NTC或PTC,由于NTC较为常用,以下统称NTC)用于温度检测,如图1所示。在实际应用中,工程师最直接也是最常见的个问题就是:我检测到了NTC的温度,那么IGBT真实
    发表于 08-03 09:31 2370次阅读
    如何通过热敏电阻<b class='flag-5'>计算</b><b class='flag-5'>IGBT</b>的<b class='flag-5'>结</b><b class='flag-5'>温</b>

    IGBT损耗有什么计算方法?

    IGBT作为电力电子领域的核心元件之,其Tj高低,不仅影响IGBT选型与设计,还会影响IGBT
    发表于 08-13 08:04

    IGBT损耗理论计算说明

    IGBT的关断损耗计算  同理设开关频率为Fsw情况下,那么直接计算损耗为:  9、二极管的导通损耗
    发表于 02-24 16:47

    双馈风电机组变流器IGBT计算与稳态分析_李辉

    双馈风电机组变流器IGBT计算与稳态分析_李辉
    发表于 01-08 11:51 7次下载

    IGBT短路温和次数

    英飞凌IGBT模块开关状态下最高工作般是150度,而IGBT7短时过载情况下的最高工作
    的头像 发表于 02-06 14:30 1185次阅读
    <b class='flag-5'>IGBT</b>短路<b class='flag-5'>结</b>温和次数

    IGBT估算

    IGBT估算
    发表于 02-23 09:23 10次下载
    <b class='flag-5'>IGBT</b><b class='flag-5'>结</b><b class='flag-5'>温</b>估算

    IGBT估算模型

    IGBT估算模型。
    发表于 02-24 10:48 8次下载
    <b class='flag-5'>IGBT</b><b class='flag-5'>结</b><b class='flag-5'>温</b>估算模型

    IGBT估算—(二)IGBT/Diode损耗计算

    IGBT模块损耗包含IGBT损耗和Diode损耗两部分
    发表于 05-26 11:21 3872次阅读
    <b class='flag-5'>IGBT</b><b class='flag-5'>结</b><b class='flag-5'>温</b>估算—(二)<b class='flag-5'>IGBT</b>/Diode<b class='flag-5'>损耗</b>的<b class='flag-5'>计算</b>

    IGBT估算—(三)热阻网络设计

    前边介绍了IGBT/Diode损耗计算,那么得到了损耗之后,如何转化为升呢?
    发表于 05-26 11:24 2406次阅读
    <b class='flag-5'>IGBT</b><b class='flag-5'>结</b><b class='flag-5'>温</b>估算—(三)热阻网络设计

    Tvj - IGBT元宇宙中的

    ///在IGBT应用中,是经常使用的个参数,大部分读者应该都很熟悉这个概念,但是这和元宇宙有什么关系呢?我想先请大家考虑个问题:
    的头像 发表于 05-24 15:05 4639次阅读
    Tvj - <b class='flag-5'>IGBT</b>元宇宙中的<b class='flag-5'>结</b><b class='flag-5'>温</b>

    ChatGPT变聪明了吗?如何计算IGBT器件的工作Tvj

    ChatGPT变聪明了吗?如何计算IGBT器件的工作Tvj
    的头像 发表于 09-09 08:16 1346次阅读
    ChatGPT变聪明了吗?如何<b class='flag-5'>计算</b><b class='flag-5'>IGBT</b>器件的工作<b class='flag-5'>结</b><b class='flag-5'>温</b>Tvj