如何計算IGBT的損耗和結溫？示意圖與公式結合講解清楚

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IGBT作爲電力電子領域的核心元件之一，其結溫Tj高低，不僅影響IGBT選型與設計，還會影響IGBT可靠性和壽命。因此，如何計算IGBT的結溫Tj，已成爲大家普遍關注的焦點。由最基本的計算公式Tj=Ta+Rth(j-a)*Ploss可知，損耗Ploss和熱阻Rth(j-a)是Tj計算的關鍵。

1. IGBT損耗Ploss計算基礎知識

圖1 IGBT導通損耗和開關損耗示意圖

如上圖1所示，IGBT的損耗Ploss主要分爲導通損耗Pcond和開關損耗Psw兩部分。

1.1 IGBT導通損耗Pcond

IGBT的導通損耗Pcond主要與電流Ic、飽和壓降Vce和導通時間佔空比D有關，如公式1所示：

其中，電流Ic(t)和佔空比D(t)都是隨時間變化的函數，而IGBT飽和壓降Vce(Ic,Tj)，不僅與電流Ic大小，還與IGBT此時結溫Tj相關，如下圖2所示：

圖2 不同溫度IGBT飽和壓降示意圖

爲簡化計算，先將飽和壓降Vce(Ic,Tj)近似爲Ic的線性函數Vce(Ic)如公式2所示：

其中，rT爲近似曲線的斜率，即∆Vce/∆Ic，VT0爲該曲線與X軸的交點電壓值。

圖3 IGBT飽和壓降隨不同結溫Tj的變化

考慮到Vce與Tj近似線性的關係，如上圖3所示，將Tj的影響因子加入公式（2），得到Vce(Ic,Tj)飽和壓降的線性函數，如公式（3）、（4）、（5）所示：

其中，TCV和TCr分別爲VT0和rT的溫度影響因子，可根據25°C和125°C（或150°C）兩點溫度計算而得。

基於上述思路，我們可以將IGBT的導通損耗Pcond計算出來。

1.2 IGBT開關損耗Psw

IGBT的開關損耗Psw主要與母線電壓Vcc、電流Ic、開關頻率fsw、結溫Tj、門級電阻Rg和迴路電感Lce有關，如公式6所示：

其中，Esw_ref爲已知參考電壓電流、門級電阻、溫度Tj和迴路電感下的損耗值，Ki爲電流折算係數，Kv爲電壓折算係數，K(Tj)爲溫度折算係數，K(Rg)和K(Ls)分別爲門級電阻和迴路電感的折算係數。

通常而言，折算係數Ki、K(Tj)和K(Rg)，可由Datasheet相關曲線直接估算出來，以1200V/600A的半橋模塊SEMiX603GB12E4p爲例進行分析，如下：

圖4 IGBT開關損耗Esw隨電流Ic的變化

圖5 IGBT開關損耗Esw隨結溫Tj的變化

由圖4所示，該IGBT模塊額定電流爲600A，取Ki=1.0，在800A（565Arms）電流以下，兩者匹配度很好；在800A以上，不常用，屬於過流等極端工況。

由圖5所示，IGBT的開關Esw與結溫Tj之間關係，可用線性函數去擬合，如下公式：

一般IGBT的TCsw約爲0.003，以圖5的損耗數據爲例，也可由兩點溫度去算TCsw，即：

關於門級電阻Rg的折算係數K(Rg)，是工程師很關心，也很容易忽略的因素。在Datasheet中都會有一組供參考的Rg_ref(Rgon/Rgoff)及其損耗數據Esw，而實際使用的門級阻值Rg_Spec，未必相同，此時如何折算呢？其實，思路也很簡單。以圖6曲線爲例，假定其Datasheet中參考的門級電阻爲Rgon/Rgoff=1.5Ω，而實際使用的電阻爲Rgon=4Ω和Rgoff=6Ω，則折算係數K(Rg)爲：

由此可見，單純用Datasheet中參考的門級電阻去計算損耗，很可能與實際出入很大。

圖6 不同門級電阻對開關損耗的影響

此外，IGBT的母線電壓Vcc折算係數Kv相對比較隱晦，無法直接從Datasheet中抓出來；同時，該值也會受到模塊和母線雜散電感等其他因素的影響，很難估算，建議進行雙脈衝損耗測試。關於IGBT的折算係數Kv，賽米控的取值約在1.3~1.4。圖7是，賽米控1700V的SkiiP4智能功率模塊(IPM)損耗測試的數據曲線，當Kv取1.0時，與測試數據差距較大；而Kv取1.4時，兩者幾乎重合。

圖7 不同母線電壓Vcc與開關損耗Esw關係

最後，就是最容易被忽略的迴路電感折算係數K(Ls)。Datasheet相關的損耗數據和曲線的測試，都是建立在模塊廠家各自測試平臺的迴路電感參考值Ls（即模塊寄生電感之外的主迴路電感，包含功率母排和母線電容等的寄生電感）的基礎上，而且門級的參考電阻Rgon/Rgoff也會深受該值的約束，如圖8所示。

圖8 迴路電感Ls與IGBT參考值

此外，由於每個客戶的設計和應用場合不同，其迴路電感Ls也不盡相同，甚至差異很大。尤其，當實際的迴路電感Ls比Datasheet參考值大很多時，不僅影響本身的開關損耗，還會引起電壓電流的應力問題；有時爲了限制IGBT關斷電壓尖峯，不得不增加門級電阻Rg，以犧牲開關損耗爲代價，去降低IGBT開關速度和電壓尖峯。因此，該值的影響很難去做量化評估，只能暫且讓K(Ls)=1。但是，在設計初期評估IGBT損耗時，應充分考慮實際設計的迴路電感Ls與Datasheet參考值的差異大小，及其帶來的損耗計算誤差。

至此，IGBT損耗計算的基礎知識交待完畢，該損耗算法思路同樣適用於FWD，只是上述各個影響因子的係數可能略有差別。

2. IGBT損耗計算舉例

第一部分的基礎知識，主要分析了某個開關週期中的損耗算法及其影響因子。不同的電力電子拓撲和調製方式，對應不同的損耗計算公式。在此，我們以兩電平三相逆變器爲例，結合賽米控的IGBT模塊產品和官方損耗仿真軟件SemiSel，計算IGBT在實際系統中不同工況下的損耗Ploss和結溫Tj。

2.1 三相逆變器損耗的SemiSel仿真（典型工況）