论文部分内容阅读
【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
絕缘栅晶体管（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導通损耗
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模塊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斷状态。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：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.
【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
絕缘栅晶体管（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導通损耗
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模塊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斷状态。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：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.