IGBT模块的损耗
IGBT耗散功率计算
IGBT耗散功率计算IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 是一种常用的功率开关器件，它在大功率应用中具有较低的开关损耗和较高的效率。
在使用IGBT 进行功率开关控制时，需要计算和考虑其耗散功率。
IGBT的耗散功率包括开关损耗和导通损耗两部分。
开关损耗是指在IGBT的开关过程中由于开关速度较快而产生的能量转损。
导通损耗是指当IGBT导通时因芯片内部电阻和开关电压而产生的功率损耗。
首先，我们来计算开关损耗。
开关损耗通常由开关频率、电流和电压决定。
开关损耗可以分为开关开启损耗和开关关闭损耗两个部分。
当IGBT 开启时，电流会从0到其极大值快速增加，此过程中会有一个过渡阶段，电压降过渡为低电压，并且会有一个反向电流。
开关关闭时，电流会从其极大值快速减小为零，此过程中同样会有过渡阶段。
开关开启损耗可以通过以下公式计算：P_on = V_on * I_Cin * f_s其中P_on 是开关开启损耗；V_on 是开启过程中的电压降；I_Cin 是开启过程中的输入电流；f_s是开关频率。
开关关闭损耗可以通过以下公式计算：P_off = V_off * I_CEoff * f_s其中P_off 是开关关闭损耗；V_off 是关闭过程中的电压降；I_CEoff 是关闭过程中的输出电流。
接下来，我们计算导通损耗。
导通损耗可以通过以下公式计算：P_cond = V_CEon * I_Cavg其中P_cond 是导通损耗；V_CEon 是导通过程中的电压降；I_Cavg 是导通过程中的平均电流。
综上所述，IGBT的总耗散功率可以通过以下公式计算：P_total = P_on + P_off + P_cond这些公式可以帮助我们计算IGBT的耗散功率。
在实际应用中，还需要考虑散热器的散热能力，以确保IGBT的工作温度在可接受范围内。
为了实现更加精确的功率计算，需要准确测量和获得所需的电流和电压参数。
IGBT模块的损耗特性
IGBT模块的损耗特性
IGBT元件的损耗总和分为：通态损耗与开关损耗。
开关损耗分别为开通损耗(EON)和关断损耗(EOFF)之和。
另外，内置续流二极管的损耗为导通损耗与关断（反向恢复）损耗(ERR)之和。
EON、EOFF、ERR与开关频率的乘积为平均损耗。
IGBT的损耗：
续流二极管的反向恢复损耗：
反向恢复损耗 ERR
开关特性的测试：
PDMB100B12开通损耗EON测量范例：
PDMB100B12关断损耗EOFF测量范例：
1200V B系列开通损耗 EON （Tj= 125℃），有关门极系列阻抗RG请参阅技术规格。
1200V B系列关断损耗 Eoff (Tj=125C)，有关门极系列阻抗RG请参阅技术规格。
m
1200V B系列续流二极管反向恢复损耗 ERR（Tj= 125℃），有关门极系列阻抗RG请参阅技术规格。
1200V B系列ERR对门极串联电阻RG依存性（Tj= 125℃）。
变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计
变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计一、本文概述随着电力电子技术的快速发展，变频器作为电能转换与控制的核心设备，在工业自动化、新能源发电、电动汽车等领域得到了广泛应用。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为变频器的关键功率器件，其性能直接影响到变频器的效率和可靠性。
IGBT模块的损耗计算和散热系统设计是变频器设计中的重要环节，对于提高变频器性能、降低运行成本、延长设备寿命具有重要意义。
本文旨在探讨变频器中IGBT模块的损耗计算方法和散热系统设计原则。
我们将分析IGBT模块的工作原理和损耗产生机制，包括通态损耗、开关损耗等。
在此基础上，我们将介绍损耗计算的数学模型和计算方法，以及如何通过实验手段验证计算结果的准确性。
我们将重点讨论散热系统的设计原则和优化方法，包括散热器结构设计、散热风扇的选择与控制、散热系统的热仿真分析等。
本文将总结一些实际应用中的经验教训，提出针对IGBT模块损耗计算和散热系统设计的优化建议，为变频器设计工程师提供有益的参考。
通过本文的研究，我们期望能够为变频器设计中的IGBT模块损耗计算和散热系统设计提供理论支持和实践指导，推动变频器技术的持续发展和应用创新。
二、IGBT模块损耗计算绝缘栅双极晶体管（IGBT）是变频器中的关键元件，其性能直接影响变频器的效率和可靠性。
IGBT模块的损耗计算是散热系统设计的基础，对于确保变频器的稳定运行具有重要意义。
IGBT模块的损耗主要包括通态损耗和开关损耗两部分。
通态损耗是指IGBT在导通状态下，由于电流通过而产生的热量损耗。
开关损耗则发生在IGBT的开通和关断过程中，由于电压和电流的乘积在时间上的积分不为零，导致能量损失。
通态损耗的计算公式为：Pcond = Icoll * Vce(sat)，其中Icoll 为集电极电流，Vce(sat)为饱和压降。
饱和压降是IGBT导通时电压降的一个重要参数，它与集电极电流、结温和门极电流等因素有关。
IGBT模块损耗、温度与安全工作区
IGBT模块损耗、温度与安全工作区文章来源：/IGBT模块的损耗：IGBT模块由IGBT部分和FWD部分构成，IGBT模块的损耗源于内部IGBT和反并联二极管（续流FWD、整流）芯片的损耗，它们各自发生的损耗的合计即为IGBT模块整体发生的损耗。
另外发生的损耗可分为稳态和交换损耗。
如对上述内容进行整理可表述如下。
IGBT并不是一个理想开关，主要体现在：（1）IGBT在导通时有饱和电压-Vcesat（2）IGBT在开关时有开关能耗-Eon和Eoff这是IGBT产生损耗的根源。
Vcesat造成导通损耗，Eon和Eoff造成开关损耗。
导通损耗 + 开关损耗 = IGBT总损耗。
FWD也存在两方面的损耗，因为：（1）在正向导通（即续流）时有正向导通电压：Vf；（2）在反向恢复的过程中有反向恢复能耗：Erec。
Vf造成导通损耗，Erec造成开关损耗。
导通损耗 + 开关损耗 = FWD总损耗Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec体现了IGBT/FWD芯片的技术特征。
因此IGBT/FWD芯片技术不同，Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec也不同。
IGBT的总损耗可分为静态损耗和动态损耗。
其中静态损耗包括通态损耗和断态损耗；动态损耗（开关损耗），包括开通损耗和关断损耗。
器件处于关断时，器件中流过的电流约等于零，电压、电流乘积很小，可以忽略不计，因此计算静态损耗的时候，可以不考虑断态损耗。
我们平常所说的静态损耗，一般是指通态损耗。
IGBT模块的损耗-IGBT导通损耗：IGBT开通后，工作在饱和状态下，IGBT集射极间电压基本不变，约等于饱和电压Vcesat。
IGBT通态损耗是指IGBT导通过程中，由于导通压降Vcesat而产生的损耗。
Vcesat和Ic的关系可以用下图的近似线性法来表示：Vcesat = Vt0 + Rce * IcIGBT的导通损耗：Pcond = d * Vcesat * Ic，其中d为IGBT的导通占空比。
igbt损耗计算
开关损耗
导通损耗：
Pc=I
DSU
ONδ：
导通工作电流*压降*占空比=20*1.8*0.85=31
300A*1.7V*.85=450
Ps=24*20*(500+600)ns*8k/2=2.12
300V*300A*(550+300)*8k/2=330
总的igbt+二极管损耗40w,800W
设环境温度35
则结温=35*0.8+8*3.4+35=85度。
在允许温度内
0.11*800+35+150*0.18=150度，对于cm600dy-12NF 已达到允许结温，必须散热。
散热计算：
1.电器热量(H)=热功率(P)*秒(t)/4.2单位焦耳
空气冷却器最高传热系数600kcal/m2/h/摄氏度,考虑实际情况取200，设热传递总温差为5度，则散热器鳍片面积
空气流量小时对于此类应用有一个风扇就行了
经验估算：
每瓦功率需要散热面积大约6平方厘米。
小于计算值每瓦功率需要风量0.54CFM（立方英尺/分）（0.986m^3/小时）40*0398近似等于计算值。
1/ 2
对于1000waigbt全桥需要散热面积为6000平方厘米
风量1000立方米/小时。
计算风扇尺寸转速：
风量60/转速（2000/min）则每转风量=0.085m^3,风速设定为3m/s则风扇面积=0.03m^2,边长选择20cm
转速2000，面积20*20cm^2,出口风速大于3m。
2/ 2。
IGBT的驱动特性及功率损耗计算
IGBT的驱动特性及功率损耗计算IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种常用的功率开关器件，广泛应用于电力电子领域。
IGBT的驱动特性和功率损耗计算是研究和设计IGBT电路时重要的考虑因素。
以下是对IGBT驱动特性和功率损耗计算的详细介绍。
一、IGBT的驱动特性1.输入阻抗：IGBT的输入阻抗较高，通常在几百欧姆到几兆欧姆之间，可以接受微弱的输入信号。
2.输入电容：IGBT的输入电容通常较大，约为几十皮法（pF），需要充放电过程来实现开关控制。
3.驱动电压：IGBT的驱动电压通常在12V至15V左右，在工作过程中，需要适当控制驱动电压的大小和时间，以保证其正常工作。
4.驱动电流：IGBT的驱动电流是驱动IGBT的关键参数，通常需要较大的驱动电流来保证IGBT的稳定工作。
5.驱动方式：常见的IGBT驱动方式有电流驱动和电压驱动两种。
电流驱动方式可以提供更好的保护性能和更高的驱动能力。
6.驱动信号：IGBT的驱动信号通常为脉宽调制（PWM）信号，通过控制脉宽来调节流过IGBT的电流，从而实现对电路的开关控制。
7.驱动时间：IGBT的驱动时间是指IGBT从关断到导通或从导通到关断的时间，通常需要较短的驱动时间来保证IGBT的快速开关。
IGBT在工作过程中会产生一定的功率损耗，包括导通损耗、关断损耗和开关损耗。
功率损耗的计算对于设计IGBT电路和散热系统非常重要。
1.导通损耗：IGBT在导通状态下会有一定的导通电压降和导通电流，导致功率损耗。
导通损耗可以通过以下公式计算：Pcon = Vce × Ic其中，Pcon为导通损耗，Vce为导通电压降，Ic为导通电流。
2.关断损耗：IGBT在关断过程中会有一定的关断电流和关断电压降，导致功率损耗。
关断损耗可以通过以下公式计算：Pdis = Vce × Ic × td其中，Pdis为关断损耗，Vce为关断电压降，Ic为关断电流，td为关断时间。
IGBT损耗计算
IGBT损耗计算IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种高压功率半导体器件，常用于交流电驱动汽车电机、电机驱动器、逆变器等高功率应用中。
IGBT在工作过程中会产生一定的损耗，包括导通损耗、开关损耗和封装损耗等。
下面将从这三个方面对IGBT的损耗进行计算。
1. 导通损耗（Conduction Losses）：导通损耗是指IGBT开关处于导通状态时导通电流通过器件内的正向电压降所引起的损耗。
导通损耗的计算公式如下：Pcon = Vceon * Icav其中，Pcon为导通损耗，Vceon为IGBT的导通电压降，Icav为平均导通电流。
2. 开关损耗（Switching Losses）：开关损耗是指IGBT在开关状态下因开关过程中的电流和电压变化而产生的损耗。
开关损耗可以分为开关过渡损耗和开关导通损耗两部分。
开关过渡损耗由于开关过程中外部负载电流和电压变化引起，可以通过计算开关过程中的高电平和低电平时间来估算，计算公式如下：Pswg = (Eon / Ton) * (Ic + IL) * (Ton / T) + (Eoff / Toff) * (Ic + IL) * (Toff / T)其中，Pswg为开关过渡损耗，Eon为开开关过程中的功耗，Ton为开斩波时间，Ic为平均导通电流，IL为负载电流，T为一个周期时间。
开关导通损耗是指IGBT从关态切换到导通态时，由于电导下降导致的损耗，可以通过计算开关导通时间和导通电流来估算，计算公式如下：Pswc = (Econ / Tcon) * (Ic + IL) * (Tcon / T)其中，Pswc为开关导通损耗，Econ为开关导通过程中的功耗，Tcon 为开关导通时间。
3. 封装损耗（Package Losses）：封装损耗是指由于封装本身的热阻和热容导致的损耗。
封装损耗主要由于IGBT的开关过程中产生的瞬时热量，根据IGBT封装的热阻和热容来计算。
IGBT损耗的计算步骤与方法
IGBT损耗的计算步骤与方法什么是IGBT？IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管）是一种高性能半导体开关，常见于大功率电子器件中，如变频器、电机驱动器等。
IGBT相对于MOSFET具有较高的电流和电压承受能力，而且相对于BJT来说，具有更低的输入电流和较高的输入电阻，因此在大功率应用中更为常见。
IGBT损耗的计算在IGBT系统中，由于电源的转换和系统中开关器件的切换，导致了电力的不可避免损耗。
IGBT损耗主要包括开关损耗和导通损耗两部分。
而在IGBT汽车应用中，由于空间限制，功率密度较高，设备大小小，自然散热能力弱，IGBT系统损耗往往成为设计的关键因素。
所以，IGBT损耗的计算是高功率电路设计的重要内容之一。
IGBT的计算主要包含以下步骤：1.确定IGBT的工作状态在IGBT电路中，由于器件的导通与截止会引起电路工作状况的不同，因此损耗的计算也应该区分导通和截止两种状态。
通常，为了保证IGBT的最大导通效率，前者工作于正常区间，而后者运行于饱和区间。
2.确定开关频率和时序在实际应用中，IGBT的开关频率不是固定的。
在开关过程中，由于开关时间和停留时间存在差异，因此开关频率和开关时序对IGBT的损耗具有很大影响。
决定损耗的因素包括IGBT的最高频率、电磁噪音、损耗曲线等。
3.计算IGBT的导通损耗导通损耗通常是由IGBT导通时由于电源的电阻而产生的热量导致的。
在计算导通损耗时，需要以实际的经验模型为基础，进行大量的电流、电压和温度的测试，得出实际损耗值。
4.计算IGBT的开关损耗在IGBT的开关过程中，由于机械运动和位移电容等因素造成的开关损耗，这部分损耗无法避免且很难直接测量。
5.损耗计算与分析以上四个步骤的计算结果，根据IGBT应用环境、工作状态和电路等因素，综合计算获得系统总损耗。
通过对得到的数据进行深入的分析和评估，可以进一步判断设计是否合理，进行优化。
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一个桥臂单元
一个模块
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对于含整流桥的PIM，Rthch的换算可以按Rthjc之间的比例来算。
IGBT模块的温度
当损耗以周期性脉冲形式（方波/正弦 半波）存在时，模块表现出热容性，
模块规格书里给出了IGBT饱和电压的 特征值：VCE,Sat，及测试条件。
英飞凌的IGBT模块规格书里给出了两 个测试条件下的饱和电压特征值：
1）Tj=25°C；2）Tj=125°C。电流均为 IC,NOM（模块的标称电流），VGE=+15V
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IGBT模块的损耗-IGBT开关损耗
IGBT开通瞬间 IGBT关断瞬间
IGBT之所以存在开关能耗，是因为在开通和关断 的瞬间，电流和电压有重叠期。
在Vce与测试条件接近的情况，Eon和Eoff可近似 地看作与Ic和Vce成正比：
Eon = EON × Ic/IC,NOM × Vce/测试条件 Eoff = EOFF × Ic/IC,NOM × Vce/测试条件
1）Tj=25°C；2）Tj=125°C。电流均为IC,NOM（模 块的标称电流）。
IGBT模块的损耗-FWD导通损耗
FWD的Vf-If特性曲线
Rd U0
Vf和If的关系可以用左图的近似线性法来表示： Vf = U0 + Rd × If
FWD的导通损耗：
Pf = d * Vf × If，其中d 为FWD的导通占空比
电压： Vce ≤ VCES（即IGBT的电压规格） Vge ≤ VGES（±20V）
电流：由RBSOA规定了在连续开关工作条件下，不超过2×IC,NOM。 规格书中的RBSOA定义了IGBT所允许关断的最大电流。
IGBT模块的安全运行
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IGBT模块的温度-小结
IGBT模块各个部分的温差∆T取决于 1）损耗（芯片技术、运行条件、驱动条件）； 2）热阻（模块规格、尺寸）
模块芯片的结温是各部分的温差和环境温度之和： Tj = ∆Tjc + ∆Tch + ∆Tha + Ta 如果假设壳温Tc恒定，则Tj = ∆Tjc + Tc； 如果假设散热器温度Th恒定，则Tj = ∆Tjh + Th。
IGBT/FWD芯片尺寸越大，Rthjc值越 小；模块尺寸越大，Rthch值越小； 散热器越大，Rthha值越小。
H
H
H
H
热阻模型（稳态）
IGBT模块的温度
Rthch值的换算：Rthch per arm = Rthch per module × n Rthch per arm = Rthch_IGBT // Rthch_FWD
外壳-散热器 热阻Rthch
散热器(-环境) 热阻Rthha
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损耗 芯片
焊料 铜层 陶瓷 (Al2O3 / AlN) 铜层 焊料
基板
散热器
输出功率 结温（Tj）
芯片-外壳温差 ∆Tjc
壳温（Tc）
外壳-散热器温差 ∆Tch
散热器温度 （Th）
散热器-环境温差 ∆Tha
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IGBT模块的损耗-FWD开关损耗
FWD的反向恢复
反向恢复是FWD的固有特性，发生在由正向 导通转为反向阻断的瞬间，表现为通过反 向电流后再恢复为反向阻断状态。
在Vr与测试条件接近的情况，Erec可近似 地看作与If和Vr成正比：
可用瞬态热阻抗Zthjc来表示。
Zthjc是一个时间变量（瞬态损耗持续 的时间）。时间越长，Zthjc值越大。 Zthjc的最大值就是Rthjc。
结温Tj的波动幅度与Zthjc有关， Zthjc值越大，Tj的波动幅度就越大。
瞬态热阻抗模型
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仿真结果：变频器输出频率不同时，对 应的IGBT结温。
IGBT模块的损耗-IGBT导通损耗
IGBT的Vcesat-Ic特性曲线
Vcesat和Ic的关系可以用左图的近似 线性法来表示：
Vcesat = Vt0 + Rce × Ic
IGBT的导通损耗：
Pcond = d * Vcesat × Ic，其中d 为IGBT的导通占空比
IGBT饱和电压的大小，与通过的电流 （Ic），芯片的结温（Tj）和门极电 压（Vge）有关。
IGBT的开关损耗： Psw = fsw × (Eon + Eoff) ，fsw为开关频率。
IGBT开关能耗的大小与开关时的电流（Ic）、电 压（Vce）和芯片的结温（Tj）有关。
模块规格书里给出了IGBT开关能耗的特征值： EON，EOFF，及测试条件。
英飞凌的IGBT模块规格书里给出了两个测试条件 下的开关能耗特征值：
FWD也存在两方面的损耗，因为： 1）在正向导通（即续流）时有正向导通电压：Vf 2）在反向恢复的过程中有反向恢复能耗：Erec。 Vf造成导通损耗，Erec造成开关损耗。导通损耗 + 开关损耗 = FWD总 损耗。
Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec体现了IGBT/FWD芯片的技术特征。因此 IGBT/FWD芯片技术不同，Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec也不同。
环境温度 （Ta）
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IGBT模块的温度
温差 (平均值)和热阻
Rthjc = ∆Tjc ÷ 损耗 Rthch = ∆Tch ÷ 损耗 Rthha = ∆Tha ÷ 损耗总和 或Rthha1,2 = ∆Tha ÷ 损耗1,2
模块规格书给出：
Rthjc per IGBT（每个IGBT开关） Rthjc per FWD（每个FWD开关） Rthch per IGBT（每个IGBT开关） Rthch per FWD（每个FWD开关） 或Rthch per module（每个模块）
FWD
导通损耗： 1）与FWD芯片技术有关 2）与工作条件有关：与电流成正比，与FWD占空比成正比。 开关损耗 1）与FWD芯片技术有关 2）与工作条件有关：与开关频率、电流、电压成正比，随Tj升高而增加。
IGBT模块的温度
Tj = ∆Tjc + ∆Tch + ∆Tha + Ta
输入功率
芯片-外壳 热阻Rthjc
模块规格书里给出了FWD的正向导通电压的特征 值：VF，及测试条件。
FWD正向导通电压的大小，与通过的电流（If） 和芯片的结温（Tj）有关。
英飞凌的IGBT模块规格书里给出了两个测试条件 下的正向导通电压特征值：
1）Tj=25°C；2）Tj=125°C。电流均为IF,NOM（模 Fra bibliotek的标称电流）。
IGBT模块的损耗、温度和安全运行
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IGBT模块的损耗
IGBT模块的损耗源于内部IGBT和二极管（续流FWD、整流）芯片的损耗， 主要是IGBT和FWD产生的损耗。
IGBT不是一个理想开关，体现在： 1）IGBT在导通时有饱和电压– Vcesat 2）IGBT在开关时有开关能耗–Eon和Eoff 这是IGBT产生损耗的根源。Vcesat造成导通损耗，Eon和Eoff造成开关 损耗。导通损耗 + 开关损耗 = IGBT总损耗。
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IGBT模块的安全运行
安全运行的基本条件：
温度：IGBT结温峰值 Tj_peak ≤ 125°C（150°C*） 模块规格书给出了两个IGBT最高允许结温： Tjmax = 150°C（175°C*）- 指无开关运行的恒导通状态下； Tvj(max) = 125°C（150°C*）- 指在正常的开关运行状态下。 Tvj(max)规定了IGBT关断电流、短路、功率交变（PC）所允许的 最高结温。 * 600V IGBT3；1200V和1700V IGBT4；3300V IGBT3
IGBT的平均结温取决于平均损耗、Rthjc和壳温Tc。 在实际运行时，IGBT的结温是波动的，其波动幅度取决于瞬态损耗和
Zthjc，而Zthjc又和运行条件（如变频器输出频率）有关。 IGBT的峰值结温为平均结温+波动幅值。
结论： IGBT的结温（平均/峰值）和芯片技术、运行条件、驱动条件、IGBT 规格、模块尺寸、散热器大小和环境温度有关。
英飞凌的IGBT模块规格书里给出了两个测 试条件下的反向恢复能耗特征值：
1）Tj=25°C；2）Tj=125°C。电流均为IF,NOM （模块的标称电流）。
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IGBT模块的损耗-小结
IGBT
导通损耗： 1）与IGBT芯片技术有关 2）与运行条件有关：与电流成正比，与IGBT占空比成正比，随Tj升高而增加。 3）与驱动条件有关：随Vge的增加而减小 开关损耗 1）与IGBT芯片技术有关 2）与工作条件有关：与开关频率、电流、电压成正比，随Tj升高而增加。 3）与驱动条件有关：随Rg的增大而增大，随门极关断电压的增加而减小。