作者：張浩
IGBT作為電力電子領(lǐng)域的核心元件之一，其結(jié)溫Tj高低，不僅影響IGBT選型與設(shè)計(jì)，還會(huì)影響IGBT可靠性和壽命。因此，如何計(jì)算IGBT的結(jié)溫Tj，已成為大家普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。由最基本的計(jì)算公式Tj=Ta+Rth(j-a)*Ploss可知，損耗Ploss和熱阻Rth(j-a)是Tj計(jì)算的關(guān)鍵。
1. IGBT損耗Ploss計(jì)算基礎(chǔ)知識(shí)
圖1 IGBT導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗示意圖
如上圖1所示，IGBT的損耗Ploss主要分為導(dǎo)通損耗Pcond和開(kāi)關(guān)損耗Psw兩部分。
1.1 IGBT導(dǎo)通損耗Pcond
IGBT的導(dǎo)通損耗Pcond主要與電流Ic、飽和壓降Vce和導(dǎo)通時(shí)間占空比D有關(guān)，如公式1所示：
其中，電流Ic(t)和占空比D(t)都是隨時(shí)間變化的函數(shù)，而IGBT飽和壓降Vce(Ic,Tj)，不僅與電流Ic大小，還與IGBT此時(shí)結(jié)溫Tj相關(guān)，如下圖2所示：
圖2 不同溫度IGBT飽和壓降示意圖
為簡(jiǎn)化計(jì)算，先將飽和壓降Vce(Ic,Tj)近似為Ic的線性函數(shù)Vce(Ic)如公式2所示：
其中，rT為近似曲線的斜率，即∆Vce/∆Ic，VT0為該曲線與X軸的交點(diǎn)電壓值。
圖3 IGBT飽和壓降隨不同結(jié)溫Tj的變化
考慮到Vce與Tj近似線性的關(guān)系，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(shù)，如公式（3）、（4）、（5）所示：
其中，TCV和TCr分別為VT0和rT的溫度影響因子，可根據(jù)25°C和125°C（或150°C）兩點(diǎn)溫度計(jì)算而得。
基于上述思路，我們可以將IGBT的導(dǎo)通損耗Pcond計(jì)算出來(lái)。
1.2 IGBT開(kāi)關(guān)損耗Psw
IGBT的開(kāi)關(guān)損耗Psw主要與母線電壓Vcc、電流Ic、開(kāi)關(guān)頻率fsw、結(jié)溫Tj、門(mén)級(jí)電阻Rg和回路電感Lce有關(guān)，如公式6所示：
其中，Esw_ref為已知參考電壓電流、門(mén)級(jí)電阻、溫度Tj和回路電感下的損耗值，Ki為電流折算系數(shù)，Kv為電壓折算系數(shù)，K(Tj)為溫度折算系數(shù)，K(Rg)和K(Ls)分別為門(mén)級(jí)電阻和回路電感的折算系數(shù)。
通常而言，折算系數(shù)Ki、K(Tj)和K(Rg)，可由Datasheet相關(guān)曲線直接估算出來(lái)，以1200V/600A的半橋模塊SEMiX603GB12E4p為例進(jìn)行分析，如下：
圖4 IGBT開(kāi)關(guān)損耗Esw隨電流Ic的變化
圖5 IGBT開(kāi)關(guān)損耗Esw隨結(jié)溫Tj的變化
由圖4所示，該IGBT模塊額定電流為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，屬于過(guò)流等極端工況。
由圖5所示，IGBT的開(kāi)關(guān)Esw與結(jié)溫Tj之間關(guān)系，可用線性函數(shù)去擬合，如下公式：
一般IGBT的TCsw約為0.003，以圖5的損耗數(shù)據(jù)為例，也可由兩點(diǎn)溫度去算TCsw，即：
關(guān)于門(mén)級(jí)電阻Rg的折算系數(shù)K(Rg)，是工程師很關(guān)心，也很容易忽略的因素。在Datasheet中都會(huì)有一組供參考的Rg_ref(Rgon/Rgoff)及其損耗數(shù)據(jù)Esw，而實(shí)際使用的門(mén)級(jí)阻值Rg_Spec，未必相同，此時(shí)如何折算呢？其實(shí)，思路也很簡(jiǎn)單。以圖6曲線為例，假定其Datasheet中參考的門(mén)級(jí)電阻為Rgon/Rgoff=1.5Ω，而實(shí)際使用的電阻為Rgon=4Ω和Rgoff=6Ω，則折算系數(shù)K(Rg)為：
由此可見(jiàn)，單純用Datasheet中參考的門(mén)級(jí)電阻去計(jì)算損耗，很可能與實(shí)際出入很大。
圖6 不同門(mén)級(jí)電阻對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響
此外，IGBT的母線電壓Vcc折算系數(shù)Kv相對(duì)比較隱晦，無(wú)法直接從Datasheet中抓出來(lái)；同時(shí)，該值也會(huì)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(jìn)行雙脈沖損耗測(cè)試。關(guān)于IGBT的折算系數(shù)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(cè)試的數(shù)據(jù)曲線，當(dāng)Kv取1.0時(shí)，與測(cè)試數(shù)據(jù)差距較大；而Kv取1.4時(shí)，兩者幾乎重合。
圖7 不同母線電壓Vcc與開(kāi)關(guān)損耗Esw關(guān)系
最后，就是最容易被忽略的回路電感折算系數(shù)K(Ls)。Datasheet相關(guān)的損耗數(shù)據(jù)和曲線的測(cè)試，都是建立在模塊廠家各自測(cè)試平臺(tái)的回路電感參考值Ls（即模塊寄生電感之外的主回路電感，包含功率母排和母線電容等的寄生電感）的基礎(chǔ)上，而且門(mén)級(jí)的參考電阻Rgon/Rgoff也會(huì)深受該值的約束，如圖8所示。
圖8 回路電感Ls與IGBT參考值
此外，由于每個(gè)客戶的設(shè)計(jì)和應(yīng)用場(chǎng)合不同，其回路電感Ls也不盡相同，甚至差異很大。尤其，當(dāng)實(shí)際的回路電感Ls比Datasheet參考值大很多時(shí)，不僅影響本身的開(kāi)關(guān)損耗，還會(huì)引起電壓電流的應(yīng)力問(wèn)題；有時(shí)為了限制IGBT關(guān)斷電壓尖峰，不得不增加門(mén)級(jí)電阻Rg，以犧牲開(kāi)關(guān)損耗為代價(jià)，去降低IGBT開(kāi)關(guān)速度和電壓尖峰。因此，該值的影響很難去做量化評(píng)估，只能暫且讓K(Ls)=1。但是，在設(shè)計(jì)初期評(píng)估IGBT損耗時(shí)，應(yīng)充分考慮實(shí)際設(shè)計(jì)的回路電感Ls與Datasheet參考值的差異大小，及其帶來(lái)的損耗計(jì)算誤差。
至此，IGBT損耗計(jì)算的基礎(chǔ)知識(shí)交待完畢，該損耗算法思路同樣適用于FWD，只是上述各個(gè)影響因子的系數(shù)可能略有差別。
2. IGBT損耗計(jì)算舉例
第一部分的基礎(chǔ)知識(shí)，主要分析了某個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的損耗算法及其影響因子。不同的電力電子拓?fù)浜驼{(diào)制方式，對(duì)應(yīng)不同的損耗計(jì)算公式。在此，我們以兩電平三相逆變器為例，結(jié)合賽米控的IGBT模塊產(chǎn)品和官方損耗仿真軟件SemiSel，計(jì)算IGBT在實(shí)際系統(tǒng)中不同工況下的損耗Ploss和結(jié)溫Tj。
2.1 三相逆變器損耗的SemiSel仿真（典型工況）
圖9 三相逆變器拓?fù)涫疽鈭D
圖10三相逆變器電流電壓波形示意圖
圖9和10是典型的SPWM調(diào)制的逆變器波形示意圖。基本算法是，先根據(jù)損耗公式算出IGBT、FWD的平均損耗Pv(av)，然后以正弦半波函數(shù)Pv(t)來(lái)近似等效，再乘以熱阻抗網(wǎng)絡(luò)Zth，最終可得到Tj波形的最大值Tj(max)和均值Tj(av)，如圖11所示。此外，損耗Pv(t)本身是隨Tj而變化的，因此，上述Tj的運(yùn)算需經(jīng)過(guò)多次迭代完成。
圖11從平均損耗Pv(av)到Tj(max)波形示意圖
值得一提的是，僅用IGBT平均損耗Pv(av)去計(jì)算，得到的平均結(jié)溫Tj(av)，無(wú)法體現(xiàn)實(shí)際IGBT結(jié)溫Tj(t)的波動(dòng)。在相同的平均損耗Pv(av)時(shí)，低頻輸出（小于10Hz）的結(jié)溫峰值Tj(max)更高更惡劣，如下圖12所示：
圖12 Tj(max)隨不同輸出頻率fout的變化
以三相逆變器典型的工況為例，在使用SemiSel進(jìn)行仿真時(shí)，如圖13，有幾點(diǎn)需要注意：
1) 過(guò)載條件的設(shè)置：過(guò)載倍數(shù)、時(shí)間、最低輸出頻率；
2) 門(mén)級(jí)電阻對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響；
3) 散熱條件的設(shè)置：開(kāi)關(guān)數(shù)量、并聯(lián)數(shù)量、熱阻系數(shù)；
其中，散熱條件的設(shè)置，在堵轉(zhuǎn)工況時(shí)有所不同。SemiSel仿真結(jié)果，見(jiàn)圖14所示。
圖13 三相逆變器SemiSel仿真注意事項(xiàng)
圖14 三相逆變器SemiSel仿真結(jié)果
2.2 三相逆變器堵轉(zhuǎn)的SemiSel仿真設(shè)置（特殊工況）
無(wú)論額定工況還是過(guò)載輸出，其輸出電流都是交變的，全部6個(gè)IGBT/FWD在交替導(dǎo)通，即三個(gè)半橋模塊的損耗比例是1:1:1；而在逆變器堵轉(zhuǎn)時(shí)，其輸出電流是直流的，類似三個(gè)Buck電路在工作，一半的IGBT/FWD在開(kāi)關(guān)，此時(shí)，三個(gè)半橋的電流比例大約1:0.5:0.5，相當(dāng)于2個(gè)完整的IGBT/FWD。因此，在SemiSel里，除了選擇Buck電路來(lái)仿真堵轉(zhuǎn)外，散熱器的開(kāi)關(guān)數(shù)量N和散熱器熱阻Rth(s-a)的設(shè)置，應(yīng)分別取N=2和Heatsink CF=1.5，如圖14所示。
圖15 三相逆變?cè)诙罗D(zhuǎn)時(shí)的散熱器參數(shù)設(shè)置
3. IGBT損耗計(jì)算的誤差
最后，大家都會(huì)問(wèn)一個(gè)同樣的問(wèn)題，與實(shí)測(cè)相比，損耗計(jì)算或者SemiSel仿真誤差怎么樣？
首先，仿真無(wú)法替代實(shí)測(cè)。其次，仿真有誤差，測(cè)試其實(shí)也有誤差，兩者應(yīng)該相互參照。最后，毫無(wú)疑問(wèn)，應(yīng)以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)。另外，如何看待仿真，我覺(jué)得需要分階段來(lái)看：在項(xiàng)目初步選型階段，實(shí)測(cè)不便，更多的是基于Datasheet進(jìn)行損耗與結(jié)溫Tj的計(jì)算與評(píng)估，此時(shí)更看重的是，各家模塊在相同的仿真算法框架下的橫向性能對(duì)比。在選型確定和樣品實(shí)測(cè)階段，基于實(shí)際測(cè)試平臺(tái)，用雙脈沖實(shí)驗(yàn)，把優(yōu)化后的損耗數(shù)據(jù)庫(kù)，去更新和替代項(xiàng)目初期的Datasheet損耗數(shù)據(jù)，然后對(duì)比分析仿真與實(shí)測(cè)的差異，不斷優(yōu)化算法的各種影響因子，以達(dá)到設(shè)計(jì)允許的誤差和余量要求，最后在微處理器中以代碼實(shí)現(xiàn)。因此，所謂的誤差，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化和調(diào)整的過(guò)程，不能一概而論。
