基于IPOSIM的IGBT功率损耗仿真
混合动力汽车功率模块的功率损耗计算和热仿真要点
混合动力汽车功率模块的功率损耗计算和热仿真通常，混合动力汽车同时具备内燃机引擎和电力马达驱动系统，并利用功率半导体模块来实现电力马达的速度调节。
通常功率半导体模块在车辆上的冷却方式主要为风冷和液态冷却。
不同汽车制造商设计的混合动力系统大相径庭，直接并无可比性。
除冷却系统之外，功率半导体模块封装甚至半导体技术本身都各不相同。
为了使这些系统更具可比性，本项研究采用了一个适用于不同冷却系统的、被称为HybridPACK的通用“基础功率模块”。
在配置中采用了一套基本输入参数集，例如行驶循环、电机类型、甚至半导体的电气特性等。
同时，为简化计算，忽略了不同驾驶策略的影响。
在电力电子系统中，功率半导体模块温度及温度波动对可靠性有较大的影响。
为此，基于功率半导体模块的功率损耗计算和热仿真模型。
开发了一个程序来计算整个行驶循环期间的温度。
通过计算出从功率半导体模块至冷却系统的温度分布，可以评估出模块各部分受到的热应力，诸如焊接点或键合点等。
通过将热应力转换为可靠性试验数据，可以预测出功率半导体模块的使用寿命。
从行驶循环到可靠性试验可靠性试验在使用寿命期内，模块要承受环境（气候）造成的被动温度波动，及因模块运行发热造成的主动温度循环。
温度循环和功率循环试验，可以模拟以上几种情况对模块寿命的影响。
温度循环：在温度循环试验中，在没有电气应力的情况下，改变功率半导体模块的环境温度，包括对（TST：热冲击试验）和（TC：热循环试验）。
这项实验主要用于评估焊接点的可靠性，及评估模块在贮存、运输或使用过程中对可能发生的温度突变的耐受性。
功率循环：功率循环（PC）试验可用于确定功率模块内部半导体芯片和内部连接点焊接，在通过周期性电流时，对热应力和机械应力的耐受性。
周期性施加电流会导致温度快速变化，会导致绑定线机械位置波动。
功率循环试验对高温条件下的工作寿命预期分析具有代表性[1]。
热应力造成的主要故障是IGBT模块的内部焊接疲劳和焊接线脱落。
IGBT损耗仿真软件使用说明
点击
按钮确定.
DWG No. : MT5F19369
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负载循环计算结果
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温度波形 (2个周期)
损耗 (1个周期的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ均值)
损耗和频率波形 (2个周期)
温度
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寿命计算（案例）
周期 = 40s
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PIGBT
Rth(c-f)
PFWD Ploss
Tf
Rth(f-a) Ta
Ploss_f
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DC-Lock条件下损耗计算
在直流锁定（DC-lock DC lock）状态下的电流路径由下图表示，输出电流为直流电流 (Ic)。 在此状态下, 可以计算IGBT (U）和FWD (X) 的损耗。 在DC-lock DC lock下，通过调制比可以计算出所需占空比，公式如下所示。 下 通过调制比可以计算出所需占空比 公式如下所示
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设定IGBT型号
点击菜单 ”Select IGBT” Series ： 从下拉列表中选择系列名 (U-系列，S-系列，…) yp ： Type
从下拉列表中选择IGBT型号
Recommended device 点击 按钮, 使用模糊 搜索，通过变频器条件(电压和功 率)或者IGBT系列和封装类型来选 择合适IGBT型号。
Ton IGBT on Toff
IGBT off
占空比 =
Ton Ton + Toff
勾选“DC LOCK”
英飞凌变频器设计IGBT选型指南-仿真工具
Dimensioning program IPOSIM for loss and thermal calculation of Infineon IGBT modules
Introduction IPOSIM performs an approximate calculation of switching and conduction losses for IGBTs and free-wheeling diodes in a three phase inverter configuration under the assumption of sinusoidal output currents at inductive loads. With this tool a quick selection of a suitable Infineon IGBT module for an application is possible taking into account its average losses and thermal ratings. Be sure to always have the latest IPOSIM version on-hand. The actual program is available on
T0 / 2
Psw,IGBT = f sw,IGBT ⋅
1 T0
∫ (E
0
on
+ E off )( t, ˆ i )dt
Using the measured turn-on and turn-off energy dissipation per switching pulse (given in the datasheets at nominal current Inom) the energy of the single switching event at a temporary current i can be assumed linear. Furthermore the applied DC-link voltage at several applications may vary from the nominal DC voltage used for the determination of the losses. The practice shows, that a linear adjustment of the losses within a certain limit of the nominal voltage (here ± 20% ) is permissible.
simplore中仿真功率模块损耗
simplore中仿真功率模块损耗简述中的仿真功率模块损耗简介：在电力系统中，为了保证系统的安全稳定运行，需要对发电机、变压器、线路等设备进行仿真计算和分析。
而在进行这些仿真计算时，需要考虑到各个设备的功耗问题。
本文将以simplore中的仿真功率模块损耗为主题，介绍该模块的作用、实现方式以及损耗计算方法。
一、模块作用simplore中的仿真功率模块主要用于计算电力系统中各个设备的损耗。
通过对设备的电流、电压、功率因数等参数进行仿真计算，可以得出设备在运行过程中的功耗情况，从而为系统运行和优化提供参考依据。
二、模块实现方式simplore中的仿真功率模块基于电力系统的拓扑结构和设备参数，利用电路理论和数值计算方法，对系统中的各个设备进行仿真计算。
具体实现方式如下：1. 数据输入：用户需要提供电力系统的拓扑结构、设备参数以及负荷情况等基本信息。
这些信息可以通过simplore中的GUI界面进行输入。
2. 仿真计算：根据输入的系统信息，simplore中的仿真功率模块会根据电路理论和数值计算方法，对系统中的各个设备进行电流、电压、功率因数等参数的计算。
3. 损耗计算：根据计算得到的设备参数，simplore中的仿真功率模块会进一步计算出设备的损耗情况，包括有功损耗、无功损耗等。
三、损耗计算方法在进行设备的损耗计算时，simplore中的仿真功率模块采用了多种计算方法，包括：1. 线性近似法：对于一些简单的设备，可以采用线性近似法进行损耗计算。
该方法基于设备的参数和运行情况，通过简单的线性关系来估算设备的功耗。
2. 迭代法：对于一些复杂的设备，由于设备的参数和运行情况之间存在非线性关系，需要采用迭代法来进行损耗计算。
该方法通过多次迭代计算，逐步逼近设备的真实功耗。
3. 数值模拟法：对于一些特殊的设备，由于存在复杂的物理过程，需要采用数值模拟法进行损耗计算。
该方法通过建立设备的物理模型，利用数值计算方法对设备的功耗进行模拟和计算。
混合动力汽车功率模块的功率损耗计算和热仿真要点
混合动力汽车功率模块的功率损耗计算和热仿真通常，混合动力汽车同时具备内燃机引擎和电力马达驱动系统，并利用功率半导体模块来实现电力马达的速度调节。
通常功率半导体模块在车辆上的冷却方式主要为风冷和液态冷却。
不同汽车制造商设计的混合动力系统大相径庭，直接并无可比性。
除冷却系统之外，功率半导体模块封装甚至半导体技术本身都各不相同。
为了使这些系统更具可比性，本项研究采用了一个适用于不同冷却系统的、被称为HybridPACK的通用“基础功率模块”。
在配置中采用了一套基本输入参数集，例如行驶循环、电机类型、甚至半导体的电气特性等。
同时，为简化计算，忽略了不同驾驶策略的影响。
在电力电子系统中，功率半导体模块温度及温度波动对可靠性有较大的影响。
为此，基于功率半导体模块的功率损耗计算和热仿真模型。
开发了一个程序来计算整个行驶循环期间的温度。
通过计算出从功率半导体模块至冷却系统的温度分布，可以评估出模块各部分受到的热应力，诸如焊接点或键合点等。
通过将热应力转换为可靠性试验数据，可以预测出功率半导体模块的使用寿命。
从行驶循环到可靠性试验可靠性试验在使用寿命期内，模块要承受环境（气候）造成的被动温度波动，及因模块运行发热造成的主动温度循环。
温度循环和功率循环试验，可以模拟以上几种情况对模块寿命的影响。
温度循环：在温度循环试验中，在没有电气应力的情况下，改变功率半导体模块的环境温度，包括对（TST：热冲击试验）和（TC：热循环试验）。
这项实验主要用于评估焊接点的可靠性，及评估模块在贮存、运输或使用过程中对可能发生的温度突变的耐受性。
功率循环：功率循环（PC）试验可用于确定功率模块内部半导体芯片和内部连接点焊接，在通过周期性电流时，对热应力和机械应力的耐受性。
周期性施加电流会导致温度快速变化，会导致绑定线机械位置波动。
功率循环试验对高温条件下的工作寿命预期分析具有代表性[1]。
热应力造成的主要故障是IGBT模块的内部焊接疲劳和焊接线脱落。
IGBT损耗仿真软件使用说明
IGBT损耗仿真软件使用说明IGBT损耗仿真软件是一种用于模拟和预测绝缘栅双极型晶体管（IGBT）损耗的软件工具。
IGBT是一种常用的功率半导体器件，广泛应用于各种交流和直流电源，电力变换以及电力电子应用中。
准确地预测和评估IGBT的损耗对设备的设计和性能至关重要。
以下是IGBT损耗仿真软件的使用说明：2.创建新项目：打开软件后，你可以选择“新建项目”创建一个新的仿真项目。
在项目名称和路径中输入所需的信息，并确保选择正确的IGBT模型和损耗模型。
4.设置仿真参数：在导入了IGBT模型后，你可以设置仿真参数，包括输入电压和电流波形、温度、开关频率等。
这些参数将影响到仿真结果的准确性和可靠性，因此需要根据实际情况进行设置。
5.运行仿真：在设置好了仿真参数后，你可以点击“运行仿真”按钮开始进行仿真。
软件将根据你所设定的参数和模型，模拟和计算出IGBT 的损耗情况。
仿真时间的长短取决于你设定的仿真时间和频率。
6.分析结果：仿真完成后，软件将生成一个仿真结果报告，其中包括IGBT的损耗值、电压和电流波形、温度分布等。
你可以通过查看报告来评估和分析IGBT的性能和损耗情况，以便进行进一步的改进和优化。
7.优化设计：根据仿真结果报告的分析，你可以确定IGBT的性能和损耗是否满足设计要求。
如果发现了性能不足或损耗过大的问题，你可以通过优化设计来改进。
这可能涉及到更换更适合的IGBT模型、调整电路设计、改变工作条件等。
8. 导出数据：除了报告之外，软件还可以导出仿真数据供进一步分析和处理。
你可以将数据导出为Excel或其他格式，以便在其他软件中进行更详细的分析。
总结：IGBT损耗仿真软件是一种强大的工具，能够帮助工程师准确地预测和评估IGBT的损耗情况。
然而，为了获得准确和可靠的仿真结果，需要正确设置仿真参数、导入合适的IGBT模型以及正确分析和优化设计。
希望以上的使用说明能够对你在使用IGBT损耗仿真软件时提供帮助。
IGBT模块开关过程损耗仿真研究
ＩＢ Ｇ Ｔ在 开 关 过 程 中的 电 压 电 流
波 形 得 到 了开 关过 程 中的 功 率 损 耗 和 能 量损 失 曲线 ，并根 据 所得 结 果 分 析 了Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ模 块 的 热特 性 和 损 坏 机 理 。对Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ的 实 际 运 用提 出 了
具 有 指 导 意 义 的 保护 措 施 。 关键 词 ：Ｓ ＩＥ建模 ； 仿 真 ； 开 关 损 耗 ； 热 特性 ＰＣ 中 图分 类 号 ：Ｔ ４ ４ Ｇ ３ 文 献标 识码 ：Ａ ・
维普资讯
４ ・ Ｏ 焊接 设 备 与材 料 ・
文 章编 号 ：０ ２ ０ ５ ２０ ０ 一Ｏ Ｏ ０ １０ — ２ Ｘ（０６）６ Ｏ ４ 一 ３
焊接 技 术
第３ ５卷 第 ６期 ２ ０ ０ ６年 １ ２月
Ｉ Ｂ 模 块 开 关 过 程 损 耗 仿 真 研 究 Ｇ Ｔ
林 顿 结 构 复 合 而 成 的功 率 器 件 。考 虑 到Ｉ Ｂ 器 件 的 非 线 性 电 ＧＴ 容 和击 穿 效 应 ，文 献 【１ 出 ＴＩ Ｂ 完 整 的ＩＡ ，子 电路 ，如 ｌ】 给 ＧＴ Ｃ Ｐ４ 图 １ 示 。 这个 模 型 可 以 精 确 地 仿 真 开 关 损 耗 、非 线 性 电容 效 所 应 、通 态 电 压 正反 向击 穿 、开通 关 断 延 迟 上升 时间 和 拖 尾 电流 以及 外 特 性 曲 线 。
【Ｏ ｌ］张 新 平 ， 史耀 武 ， 耀 文 ． 基 非 晶 态 及 晶 态 钎 料 真 空 钎 焊 工 艺 性 任 镍
【］ 陈 光 ， 恒 志 ． 平 衡 凝 固 新 型 金 属 材 料 【 ． 京 ： 学 出 版 ５ 傅 非 Ｍ］ 北 科
ＩＢ 模 块 的 电 路 仿 真 模 型 是 近 十 几 年 来 国 际 电 力 电 子 学 ＧＴ 领域 研 究 的热 点 之 一 ． 目前 已经 提 出 的 ＩＢ 仿 真 模 型 大 体 可 Ｇ Ｔ
IPOSIM6-2c_(英飞凌IGBT仿真软件中文版)
379350538.xls 英飞凌IGBT模块功率仿真 V6.2c July 2008适用于三相逆变应用中的模块选型输出电流为正弦时的平均损耗所选模块BSM75GB120DLCdata sheet 限制:直流母线电压 Vdc [V]600600输出电流有效值 Irms [A]100100输出频率 f0 [Hz]5050开关频率 fs [Hz] 60006000最高结温 Tj [°C] 125125壳温 Tc [°C]8080调制比 m 1.00 1.00负载功率因素 cos φ 1.00 1.00建议最小门极电阻 Rg [Ω]12模块引线电阻 RCC'+EE' [m Ω]IGBT通态损耗 [W]121IGBT开关损耗 [W]59S 181二极管通态损耗 [W]08二极管开关损耗 [W]17S 25曲线图基于 典型的 Tj=125°C时的器件数据曲线图的意义:蓝色（红色）实线和蓝色（红色）虚线的交点所对应的横轴数据代表了在给定工作条件下IGBT（二极管）所允许的最大相输出电流有效值。
1 Hz ≤ f0 ≤ 1000 Hz 应用参数:仿真参数:请在绿色区域内输入变频器的规格:额定电压 600 V +-20% 480 V ≤ Vdc ≤ 720 V 输出电流为正弦时的平均损耗 6000 Hz 开关频率时BSM75GB120DLC 相输出电流有效值 [Arms]-1 ≤ cos φ ≤ 15 x f0 ≤ fs ≤ 10000 x f0-40 °C ≤ Tj ≤ 125°C -40 °C ≤ Tc ≤ Tj 0 ≤ m ≤ 4/π平均损耗 P a v [W ]Irms ≤ sqr(2)*Inom = 106 A 050100150200250020406080100120Losses (IGBT) / W Losses (diode) / W Losses per switch (IGBT + diode) / W max. losses (IGBT) @ Tcase=80°C max. losses (diode) @ Tcase=80°C。
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基于IPOSIM的IGBT功率损耗仿真【摘要】IGBT作为一种功率半导体器件，在电能应用邻域得到广泛应用。
在IGBT的使用过程中，要求功率开关器件降低损耗、提高效率、提高性能。
本文就IGBT的损耗计算方法作了简要介绍，并就英飞凌IGBT作了功率损耗的仿真分析。
【关键词】IGBT 功率损耗计算方法仿真The Simulation of The Power Loss for IGBT Base on IPOSIM（The 722 Research Institute of CSIC Hubei Wuhan 430205）Abstract：As a power semiconductor device，IGBT is widely used in the application of electric fields. During the use of IGBT，Request power switching device to reduce losses，improve efficiency and performance. This article briefly describes the loss calculation method on the IGBT，and made a simulation analysis of the power loss on Infineon IGBT.Keywords：IGBT；power loss；calculation method；simulation一、引言绝缘栅晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT）是由BJT（双极型晶体管）和MOSFET（绝缘栅型场效应晶体管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件，既具有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有BJT的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。
IGBT是近年来电力电子领域中最令人注目和发展最快的一种器件[1]。
IGBT的损耗分为两类，一类是器件的导通损耗；另一类是从通态向断态（从断态向通态）转换的开关损耗[2]。
因此，IGBT的损耗计算和损耗仿真对系统设计至关重要。
二、IGBT模块的功率损耗为了便于分析，将IGBT损耗分为导通损耗和开关损耗。
另外，开关损耗也可分为两类：具有理想二极管时IGBT的开关损耗和考虑二极管反向恢复时间时IGBT的开关损耗。
IGBT 导通时，如果电流为方波脉冲，那么导通能量就等于电流、电压降和导通时间三者之积。
IGBT在任意电流和温度时的最高电压降，可按以下两步得到：首先，从IGBT模块集电极发射极饱和电压与壳温的关系曲线上找出能满足所需电流的集电极-发射极饱和电压[3]。
然后，为了得到最大压降，在给定结温下从该曲线上得出的电压降必须乘以电气特性表中给出的最大值与典型值之比。
如果栅极驱动电压不是15V，最大压降值还需要些修正，修正系数可参考器件公司的IGBT 设计手册。
如果电流不是方波脉冲，导通损耗只能用积分计算。
这样必须建立电流波形和电压降的数学表达式，这些函数关系可参考器件公司的IGBT设计手册[4]。
在负载为电感的电路中，开关导通引起续流二极管反向恢复，同时开关器件中产生很大的电流尖峰，从而使IGBT和续流二极管的开关损耗增加[5]。
考虑到二极管反向恢复引起的开关损耗，IGBT总的开关损耗可从下式绐出：三、IGBT模块的损耗特性IGBT元件的损耗总和分为：导通损耗与开关损耗。
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的损耗如图1所示。
续流二极管的反向恢复损耗如图2所示：（1）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VCE（sat）。
IGBT通态损耗是指IGBT 导通过程中，由于导通压降VCE（sat）而产生的损耗。
IGBT的导通损耗：Pcond= d×VCE（sat）×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和门极电压有关Vge。
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度；（2）Tj=125度。
电流均为IC，nom（模块的标称电流），Vge=+15V。
（2）IGBT开关损耗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。
随着开关频率的提高，开关损耗在整个器件损耗中的比例也变得比较大，开关损耗包括开通损耗和关断损耗两部分。
在给定环境条件下，器件导通或关断时的能量损耗（焦耳）可以通过间接地将电流和电压相乘再对时间积分这种方法得到，同时需考虑实际电流与参考电流之间的差异。
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IGBT的开关损耗：PSW=FSW×（Eon+Eoff），PSW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。
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：（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。
电流均为IC，nom（模块的标称电流）。
（3）续流二极管开关损耗反向恢复是续流二极管的固有特性，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?嘧刺?。
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：Erec=EREC×If/IF，NOM×Vr测试条件续流二极管的开关损耗：Prec=fSW×EREC，fSW为开关频率。
续流二极管反向恢复能耗的大小与正向导通时的电流（If）、电流变化率dIf/dt、反向电压（Vr）、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开关能耗特征值：（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。
电流均为IF，NOM （模块的标称电流）。
四、IGBT模块损耗总结IGBT 的导通损耗：（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。
IGBT 的开关损耗：（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。
续流二极管的导通损耗：（1）与续流二极管芯片技术有关（2）与工作条件有关：与电流成正比，与续流二极管占空比成正比。
续流二极管的开关损耗：（1）与续流二极管芯片技术有关（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。
五、IGBT功率损耗仿真IPOSIM是一款用来近似计算三相逆变器中IGBT和续流二极管的导通损耗和开关损耗的仿真软件，IPOSIM的假设条件是三相逆变器在感性负载的条件下输出正弦波电流。
利用IPOSIM可以帮助快速选取具有适当的平均损耗和热额定值的英飞凌IGBT。
直流电压、输出频率、最大结温、期望温度、调制系数和cos φ可以适用于不同的操作要点。
IPO- SIM拥有友好的界面，轻易使用，功能丰富，不需要其它软件平台来支持运行等很多优点。
它能够计算基于正弦输出电流条件下IGBT和续流二极管的导通损耗和开关损耗，进而分析其温度特性。
本文选取英飞凌FF300R12KE4作为功率损耗仿真器件。
英飞凌FF300R12KE4仿真参数如下表所示：直流电压选取为600V，有效值电流300A，频率50Hz，开关频率2000Hz，最大结温125℃，外壳温度80℃。
IGBT功率损耗和续流二极管功率损耗分别如下表所示：从图中可以看出IGBT和续流二极管的功率损耗随有效值电流的增大而增大，IGBT的功率损耗随电流增长较快。
总结：经仿真研究可知，IGBT在工作的过程中具有较大稳态损耗和开关损耗，有效电流300A、最大工作电压1200V 的IGBT功率损耗可以达到几百瓦，且随着工作电流的增大而呈指数增加，造成内部结温快速升高，为IGBT的安全工作埋下隐患。
因此，IGBT在应用时，需要在额定工作电压、电流、温度的基础上留出足够的裕量，且注意做好过压，过流，过温的检测，在保证IGBT稳定可靠工作的同时，尽量降低IGBT 的损耗，提高性能。
IGBT的功率损耗仿真对器件选型具有重要的意义。
参考文献[1] 熊妍，沈燕群，江剑，何湘宁.IGBT损耗计算和损耗模型研究[J].电源技术应用，2006（05）：55-60.[2] 王烨，常喜茂，姜栋栋，王建.关于IGBT模块损耗的研究[J].仪器仪表与分析监测，2011（03）：24-27.[3] 张明元，沈建清，李卫超. 一种快速IGBT损耗计算方法[J].船电技术，2009：33～36.[4] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2006：29～83.[5] 穆怀宇. 基于PSpice的IGBT建模与损耗仿真分析.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2013.。