基于IPOSIM的IGBT功率損耗仿真

楊淼 林靈 程磊 王衡

【摘要】 IGBT作為一種功率半導(dǎo)體器件，在電能應(yīng)用鄰域得到廣泛應(yīng)用。在IGBT的使用過程中，要求功率開關(guān)器件降低損耗、提高效率、提高性能。本文就IGBT的損耗計(jì)算方法作了簡要介紹，并就英飛凌IGBT作了功率損耗的仿真分析。

【關(guān)鍵詞】 IGBT 功率損耗 計(jì)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

絕緣柵晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱IGBT）是由BJT（雙極型晶體管）和MOSFET（絕緣柵型場效應(yīng)晶體管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件，既具有MOSFET的輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡單、開關(guān)速度高的優(yōu)點(diǎn)，又具有BJT的電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。IGBT是近年來電力電子領(lǐng)域中最令人注目和發(fā)展最快的一種器件[1]。IGBT的損耗分為兩類，一類是器件的導(dǎo)通損耗；另一類是從通態(tài)向斷態(tài)（從斷態(tài)向通態(tài)）轉(zhuǎn)換的開關(guān)損耗[2]。因此，IGBT的損耗計(jì)算和損耗仿真對系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

二、 IGBT模塊的功率損耗

為了便于分析，將IGBT損耗分為導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。另外，開關(guān)損耗也可分為兩類：具有理想二極管時(shí)IGBT的開關(guān)損耗和考慮二極管反向恢復(fù)時(shí)間時(shí)IGBT的開關(guān)損耗。IGBT導(dǎo)通時(shí)，如果電流為方波脈沖，那么導(dǎo)通能量就等于電流、電壓降和導(dǎo)通時(shí)間三者之積。IGBT在任意電流和溫度時(shí)的最高電壓降，可按以下兩步得到：首先，從IGBT模塊集電極發(fā)射極飽和電壓與殼溫的關(guān)系曲線上找出能滿足所需電流的集電極-發(fā)射極飽和電壓[3]。然后，為了得到最大壓降，在給定結(jié)溫下從該曲線上得出的電壓降必須乘以電氣特性表中給出的最大值與典型值之比。如果柵極驅(qū)動(dòng)電壓不是15V，最大壓降值還需要些修正，修正系數(shù)可參考器件公司的IGBT設(shè)計(jì)手冊。如果電流不是方波脈沖，導(dǎo)通損耗只能用積分計(jì)算。這樣必須建立電流波形和電壓降的數(shù)學(xué)表達(dá)式，這些函數(shù)關(guān)系可參考器件公司的IGBT設(shè)計(jì)手冊[4]。

在負(fù)載為電感的電路中，開關(guān)導(dǎo)通引起續(xù)流二極管反向恢復(fù)，同時(shí)開關(guān)器件中產(chǎn)生很大的電流尖峰，從而使IGBT和續(xù)流二極管的開關(guān)損耗增加[5]。考慮到二極管反向恢復(fù)引起的開關(guān)損耗，IGBT總的開關(guān)損耗可從下式紿出：

三、IGBT模塊的損耗特性

IGBT元件的損耗總和分為：導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗。開關(guān)損耗分別為開通損耗（EON）和關(guān)斷損耗（EOFF）之和。另外，內(nèi)置續(xù)流二極管的損耗為導(dǎo)通損耗與關(guān)斷（反向恢復(fù)）損耗（Err）之和。 EON、EOFF、Err與開關(guān)頻率的乘積為平均損耗。IGBT的損耗如圖1所示。

續(xù)流二極管的反向恢復(fù)損耗如圖2所示：

（1）IGBT導(dǎo)通損耗

IGBT開通后，工作在飽和狀態(tài)下，IGBT集射極間電壓基本不變，約等于飽和電壓VCE（sat）。IGBT通態(tài)損耗是指IGBT導(dǎo)通過程中，由于導(dǎo)通壓降VCE（sat）而產(chǎn)生的損耗。

IGBT的導(dǎo)通損耗：Pcond= d×VCE（sat）×IC，其中d為IGBT的導(dǎo)通占空比。IGBT飽和電壓的大小，與通過的電流IC，芯片的結(jié)溫Tj和門極電壓有關(guān)Vge。

英飛凌的IGBT模塊規(guī)格書里給出了兩個(gè)測試條件下的飽和電壓特征值：（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。電流均為IC，nom（模塊的標(biāo)稱電流），Vge=+15V。

（2）IGBT開關(guān)損耗

IGBT之所以存在開關(guān)能耗，是因?yàn)樵陂_通和關(guān)斷的瞬間，電流和電壓有重疊期。隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗在整個(gè)器件損耗中的比例也變得比較大，開關(guān)損耗包括開通損耗和關(guān)斷損耗兩部分。在給定環(huán)境條件下，器件導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)的能量損耗（焦耳）可以通過間接地將電流和電壓相乘再對時(shí)間積分這種方法得到，同時(shí)需考慮實(shí)際電流與參考電流之間的差異。在VCE與測試條件接近的情況，Eon和Eoff可近似地看作與IC和VCE成正比：

Eon=EON×IC/×IC，nom×VCE測試條件

Eoff=EOFF×IC/×IC，nom×VCE測試條件

IGBT的開關(guān)損耗：PSW=FSW×（Eon+Eoff），PSW為開關(guān)頻率。

IGBT開關(guān)能耗的大小與開關(guān)時(shí)的電流（IC）、電壓（VCE）和芯片的結(jié)溫（Tj）有關(guān)。英飛凌的IGBT模塊規(guī)格書里給出了兩個(gè)測試條件下的開關(guān)能耗特征值：（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。電流均為 IC，nom（模塊的標(biāo)稱電流）。

（3）續(xù)流二極管開關(guān)損耗

反向恢復(fù)是續(xù)流二極管的固有特性，發(fā)生在由正向?qū)ㄞD(zhuǎn)為反向阻斷的瞬間，表現(xiàn)為通過反向電流后再恢復(fù)為反向阻斷狀態(tài)。在Vr與測試條件接近的情況，Erec可近似地看作與If和Vr成正比：Erec=EREC×If/IF，NOM×Vr測試條件

續(xù)流二極管的開關(guān)損耗：Prec=fSW×EREC，fSW為開關(guān)頻率。

續(xù)流二極管反向恢復(fù)能耗的大小與正向?qū)〞r(shí)的電流（If）、電流變化率dIf/dt、反向電壓（Vr）、和芯片的結(jié)溫（Tj）有關(guān)。英飛凌的IGBT模塊規(guī)格書里給出了兩個(gè)測試條件下的開關(guān)能耗特征值：（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。電流均為IF，NOM （模塊的標(biāo)稱電流）。

四、IGBT模塊損耗總結(jié)

IGBT 的導(dǎo)通損耗：（1）與IGBT芯片技術(shù)有關(guān)（2）與運(yùn)行條件有關(guān)：與電流成正比，與IGBT占空比成正比，隨Tj升高而增加（3）與驅(qū)動(dòng)條件有關(guān)：隨Vge的增加而減小。IGBT 的開關(guān)損耗：（1）與IGBT芯片技術(shù)有關(guān)（2）與工作條件有關(guān)：與開關(guān)頻率、電流、電壓成正比，隨Tj升高而增加（3）與驅(qū)動(dòng)條件有關(guān)：隨Rg的增大而增大，隨門極關(guān)斷電壓的增加而減小。續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗：（1）與續(xù)流二極管芯片技術(shù)有關(guān)（2）與工作條件有關(guān)：與電流成正比，與續(xù)流二極管占空比成正比。續(xù)流二極管的開關(guān)損耗：（1）與續(xù)流二極管芯片技術(shù)有關(guān)（2）與工作條件有關(guān)：與開關(guān)頻率、電流、電壓成正比，隨Tj升高而增加。

五、IGBT功率損耗仿真

IPOSIM是一款用來近似計(jì)算三相逆變器中IGBT和續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗的仿真軟件，IPOSIM的假設(shè)條件是三相逆變器在感性負(fù)載的條件下輸出正弦波電流。利用IPOSIM可以幫助快速選取具有適當(dāng)?shù)钠骄鶕p耗和熱額定值的英飛凌IGBT。直流電壓、輸出頻率、最大結(jié)溫、期望溫度、調(diào)制系數(shù)和cos φ可以適用于不同的操作要點(diǎn)。IPO- SIM擁有友好的界面，輕易使用，功能豐富，不需要其它軟件平臺來支持運(yùn)行等很多優(yōu)點(diǎn)。它能夠計(jì)算基于正弦輸出電流條件下IGBT和續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，進(jìn)而分析其溫度特性。本文選取英飛凌FF300R12KE4作為功率損耗仿真器件。英飛凌FF300R12KE4仿真參數(shù)如下表所示：

直流電壓選取為600V，有效值電流300A，頻率50Hz，開關(guān)頻率2000Hz，最大結(jié)溫125℃，外殼溫度80℃。

IGBT功率損耗和續(xù)流二極管功率損耗分別如下表所示：

從圖中可以看出IGBT和續(xù)流二極管的功率損耗隨有效值電流的增大而增大，IGBT的功率損耗隨電流增長較快。

總結(jié)：經(jīng)仿真研究可知，IGBT在工作的過程中具有較大穩(wěn)態(tài)損耗和開關(guān)損耗，有效電流300A、最大工作電壓1200V的IGBT功率損耗可以達(dá)到幾百瓦，且隨著工作電流的增大而呈指數(shù)增加，造成內(nèi)部結(jié)溫快速升高，為IGBT的安全工作埋下隱患。因此，IGBT在應(yīng)用時(shí)，需要在額定工作電壓、電流、溫度的基礎(chǔ)上留出足夠的裕量，且注意做好過壓，過流，過溫的檢測，在保證IGBT穩(wěn)定可靠工作的同時(shí)，盡量降低IGBT的損耗，提高性能。IGBT的功率損耗仿真對器件選型具有重要的意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 熊妍，沈燕群，江劍，何湘寧.IGBT損耗計(jì)算和損耗模型研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2006（05）：55-60.

[2] 王燁，常喜茂，姜棟棟，王建.關(guān)于IGBT模塊損耗的研究[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2011（03）：24-27.

[3] 張明元，沈建清，李衛(wèi)超. 一種快速IGBT損耗計(jì)算方法[J].船電技術(shù)，2009：33～36.

[4] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2006：29～83.

[5] 穆懷宇. 基于PSpice的IGBT建模與損耗仿真分析.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2013.