楊淼 林靈 程磊 王衡

【摘要】 IGBT作為一種功率半導體器件，在電能應用鄰域得到廣泛應用。在IGBT的使用過程中，要求功率開關器件降低損耗、提高效率、提高性能。本文就IGBT的損耗計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。

【關鍵詞】 IGBT 功率損耗 計算方法 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（絕緣柵型場效應晶體管）組成的復合全控型電壓驅動式電力電子器件，既具有MOSFET的輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關速度高的優(yōu)點，又具有BJT的電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強的優(yōu)點。IGBT是近年來電力電子領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，一類是器件的導通損耗；另一類是從通態(tài)向斷態(tài)（從斷態(tài)向通態(tài)）轉換的開關損耗[2]。因此，IGBT的損耗計算和損耗仿真對系統(tǒng)設計至關重要。

二、 IGBT模塊的功率損耗

為了便于分析，將IGBT損耗分為導通損耗和開關損耗。另外，開關損耗也可分為兩類：具有理想二極管時IGBT的開關損耗和考慮二極管反向恢復時間時IGBT的開關損耗。IGBT導通時，如果電流為方波脈沖，那么導通能量就等于電流、電壓降和導通時間三者之積。IGBT在任意電流和溫度時的最高電壓降，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。如果柵極驅動電壓不是15V，最大壓降值還需要些修正，修正系數可參考器件公司的IGBT設計手冊。如果電流不是方波脈沖，導通損耗只能用積分計算。這樣必須建立電流波形和電壓降的數學表達式，這些函數關系可參考器件公司的IGBT設計手冊[4]。

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

三、IGBT模塊的損耗特性

IGBT元件的損耗總和分為：導通損耗與開關損耗。開關損耗分別為開通損耗（EON）和關斷損耗（EOFF）之和。另外，內置續(xù)流二極管的損耗為導通損耗與關斷（反向恢復）損耗（Err）之和。 EON、EOFF、Err與開關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損耗如圖2所示：

（1）IGBT導通損耗

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導通過程中，由于導通壓降VCE（sat）而產生的損耗。

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

英飛凌的IGBT模塊規(guī)格書里給出了兩個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（模塊的標稱電流），Vge=+15V。

（2）IGBT開關損耗

IGBT之所以存在開關能耗，是因為在開通和關斷的瞬間，電流和電壓有重疊期。隨著開關頻率的提高，開關損耗在整個器件損耗中的比例也變得比較大，開關損耗包括開通損耗和關斷損耗兩部分。在給定環(huán)境條件下，器件導通或關斷時的能量損耗（焦耳）可以通過間接地將電流和電壓相乘再對時間積分這種方法得到，同時需考慮實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的開關損耗：PSW=FSW×（Eon+Eoff），PSW為開關頻率。

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

（3）續(xù)流二極管開關損耗

反向恢復是續(xù)流二極管的固有特性，發(fā)生在由正向導通轉為反向阻斷的瞬間，表現為通過反向電流后再恢復為反向阻斷狀態(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)流二極管的開關損耗：Prec=fSW×EREC，fSW為開關頻率。

續(xù)流二極管反向恢復能耗的大小與正向導通時的電流（If）、電流變化率dIf/dt、反向電壓（Vr）、和芯片的結溫（Tj）有關。英飛凌的IGBT模塊規(guī)格書里給出了兩個測試條件下的開關能耗特征值：（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。電流均為IF，NOM （模塊的標稱電流）。

四、IGBT模塊損耗總結

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

五、IGBT功率損耗仿真

IPOSIM是一款用來近似計算三相逆變器中IGBT和續(xù)流二極管的導通損耗和開關損耗的仿真軟件，IPOSIM的假設條件是三相逆變器在感性負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的平均損耗和熱額定值的英飛凌IGBT。直流電壓、輸出頻率、最大結溫、期望溫度、調制系數和cos φ可以適用于不同的操作要點。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行等很多優(yōu)點。它能夠計算基于正弦輸出電流條件下IGBT和續(xù)流二極管的導通損耗和開關損耗，進而分析其溫度特性。本文選取英飛凌FF300R12KE4作為功率損耗仿真器件。英飛凌FF300R12KE4仿真參數如下表所示：

直流電壓選取為600V，有效值電流300A，頻率50Hz，開關頻率2000Hz，最大結溫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：經仿真研究可知，IGBT在工作的過程中具有較大穩(wěn)態(tài)損耗和開關損耗，有效電流300A、最大工作電壓1200V的IGBT功率損耗可以達到幾百瓦，且隨著工作電流的增大而呈指數增加，造成內部結溫快速升高，為IGBT的安全工作埋下隱患。因此，IGBT在應用時，需要在額定工作電壓、電流、溫度的基礎上留出足夠的裕量，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，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

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

[2] 王燁，常喜茂，姜棟棟，王建.關于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損耗計算方法[J].船電技術，2009：33～36.

[4] 王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京： 機械工業(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，2013.