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IGBT损耗计算方法.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.23M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第 9 卷第 5 期 2006 年 5 月 POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS Vol.9No.5 May2006 IGBT 损耗计算和损耗模型研究 ! "#$ % & ’() !*%+,-./0,1 *% 23 310027" 摘 要院456789:;<=#45>?@AB46CDEFGH$ 78IJKHLMN+O% PQRSTU6IGBT 78IJ!physics-based"VPQ?,WX6IGBT 78IJ$9YZ[6\ ]^_‘abcdef ghidjEk6klmn$ 关键词院IGBT& 78=o& 78IJ StudyonLossCalculationandModelforIGBT XIONGYan, SHENYan-qun, JIANGJian, HEXiang-ning (CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity, Abstract: Powerdeviceslossisimportantforthesystemdesign,thedeviceparametersandthechoiceofheatsinks.The lossmodelsaredividedintotwotypes:oneisbasedonphysics,theotherisbasedonmathematics.Severalmethodsin recentyearsandtheirapplicationsarediscussed. Keywords: IGBT;losscalculation;lossmodel Hangzhou Zhejiang 310027,China) 中图分类号院TN492 文献标识码院B 文章编号院0219-2713渊2006冤05-0055-06 0 引言 电力电子器件是电力电子学的基础袁 是电力 电子电路的核心遥 绝缘栅晶体管 渊InsulatedGate BipolarTransistor 袁简称 IGBT冤是一种发展迅速尧应 用广泛的电力电子器件遥 它是利用 MOSFET 输入 阻抗高和 GTR 输出阻抗低的优点而组合成的新 器件遥 因其开关频率高尧通态电流大等优点袁已广 泛应用于各种开关电源尧 马达传动系统及其他能 量转换装置遥 包括 IGBT 在内的电力电子器件在实际应用 中最应当关注的是功率损耗 渊包括导通损耗和开 关损耗冤和极限工作温度遥 这对产品的寿命预测和 结构设计至关重要遥 IGBT 在硬开关模式下工作 时袁在开通及关断瞬时有较大的开关损耗袁当工作 频率较高时袁开关损耗将大大超过IGBT 的通态损 耗袁造成内部结温增高袁并对 IGBT 的安全工作形 收稿日期院2005-10-09 成威胁袁以至造成永久性损坏遥 因此袁IGBT 的损耗 计算对系统设计尧 器件参数及散热器的选择相当 重要遥 本文对近年来的各种研究情况进行了讨论袁 并给出了其相应的应用范围遥 1 功率开关损耗的定义 一个开关周期中消耗在 IGBT 中的能量可以 用下面的表达式表示 tp Etot= 0乙 vceicdt Ptot=Etotf 渊1冤 式中院tp 为开关周期袁功率损耗为开关频率乘以能 量损耗遥 渊2冤 图 1渊a冤为 IGBT 模块的示意图袁它包含了两 个 IGBT 器件和两个反并联二 极管遥 图 1(b) 为 IGBT 工作时的功率损耗遥 从图 1 中可以得出袁因 IGBT 断态电流很小袁 一般 IGBT 的主要损耗包括 3 部分院开通损耗尧导通损耗和关断损耗遥其中开通 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 55
    第 9 卷第 5 期 2006 年 5 月 POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS Vol.9No.5 May2006 !a" IGBT Iwxyp 模型遥 2.1.1 Hefner 物理模型[4]~[14] 由 Hefner 提出的一种基于 IGBT 物理结构的 模型 已经广泛应用于 Saber 和 Spice 等仿真软 件遥 它采用一维图形的方法袁其模型包含了 IGBT 重要的物理特征袁可以描述IGBT 在各种外部电路 条件下的稳态和动态特性袁 具有很好的动态精确 性遥 图 2 给出 Hefner 模型在 Saber 软件中的模拟 仿真电路图遥 通过实验和仿真比较得出这种物理 模型具有很好的准确性遥 !b" IGBT /stuv78 p 1 IGBT Iw6uv78[3] 损耗和关断损耗合称为开关损耗遥 Pswitcht=渊Eon+Eoff冤f 渊3冤 影响开关损耗的因素很多袁比如负载电流尧母 线电压尧结温尧门极电压尧门极电阻袁它们对开关损 耗都存在不同程度的影响遥 2 损耗模型 国内外有很多人对器件的损耗模型进行了较 深入的研究遥 损耗模型的建立主要分为两大类院基 于物理结构的 IGBT 损耗模型 渊physics-based冤和 基于数学方法的 IGBT 损耗模型遥 2.1 基于物理结构的IGBT 损耗模型 这种方法通过分析 IGBT/DIODE 的物理结构 和内部载流子的工作情况袁采用电容尧电阻尧电感尧 电流源尧 电压源等一些相对简单的元件模拟出 IGBT 的特性袁 利用仿真软件仿真 IGBT 在各种工 作情况下电压尧电流波形袁从而计算得到 IGBT 的 损耗遥 这种损耗模型的准确程度取决于器件物理 模型的准确程度袁 只有物理模型越接近实际工作 情况的器件袁 才能保证仿真得到的损耗近似于实 际的损耗遥 从 1982 年 IGBT 试制成功迄今袁 对于 IGBT 建模的文章已经超过 50 多篇[4]遥 目前比较常用的 物理模型主要为院Hefner 模型尧Kraus 模型和 Sheng 56 p 2 Saber q5r6 Hefner IJ[14] 2.1.2 Kraus 物理模型[4][5][15~19] Kraus 物理模型仅对 NPT-IGBT 进行模 型袁 图3 给出了结构图遥 它将 IGBT 模拟成 MOSFET 和 BipolarTransistor 两部分遥 MOSFET 部分采用电阻 和电容描述 MOSFET 的特征袁Bipolar 部分采用两 个二极管和三个电流源模拟遥 Kraus 模型比较简 单袁容易理解遥 它主要用于Saber 仿真软件中遥 2.1.3 Sheng 物理模型[4][5][20][21] Sheng 模型主要用于D-IGBT遥 它的特点是在 描述 IGBT 静态特性时采用二维载流子分布的方 法袁 同时也考虑了器件的动态特性和温度对它的 影响遥图4 给出了其结构图遥它主要用于 Pspice 仿 真软件中遥 从上面对这些物理模型的分析可以发现袁真 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
    T T 蓸 t蓸 蔀iL 蔀 Bcon,x 蔀 Bcon,x t蓸 V0,x+r0,xiL 式中院V0,x 为IGBT 的偏置电压曰 绎 仿真与建模 ’’’ IGBT 78=oV78IJ^_ ’’’ 0乙 蓘 蓡 iL(t)dt Pcon,x=1T 渊4冤 r0,x 为动态电阻曰 Bcon,x 为待定的常数遥 由于导通损耗的变化仅和温度有关系袁 推广 导通损耗袁它可以推导如下 Pcon,x= 0乙 Ccon,1 Tj+V0,x+ Ccon,2 Tj+r0,x 蓡 iL(t)dt 蓘 1T 渊5冤 式中院Tj 为结温曰 Ccon,1袁Ccon,2 为与温度有关系的待定常量袁可以 通过大量的测试得到遥 !2"|z78 对于开通损耗袁同样可以通过 计算 VCE 和 IC 得到袁 但是一种更加准确的方法是 仅将损耗表示成负载电流的关系遥 其表达式为 Esw,x=Asw,xi(t)Bsw,x 渊6冤 式中院Esw,x 为开通损耗的能量曰 Asw,x袁Bsw,x 为待定的常数遥 这个公式适用于开通损耗尧 关断损耗和二极 管的反向恢复损耗遥 其中的 V0,x袁r0,x袁Asw,x袁Bsw,x 是通 过大量数据拟合得到的袁 它们都是负载电流的函 数遥 影响袁开通损耗可以表示为 如果考虑包括不同的母线电压对开通损耗的 渊7冤 蓘 Esw,x=Asw,xi(t)Bsw,x VDCVbase 蓡 Csw,x 可以表示为 式中院Vbase 为母线电压基值曰 VDC 为实际母线电压曰 Csw,x 为待定的电压常量遥 待定常数 Asw,x袁Bsw,x 在母线电压基值时就可以 确定袁如500V遥 通过改变不同的母线电压可以得 到常数 Csw,x遥 当基值温度选定时袁可以考虑结温遥 开通损耗 蓘 Esw,x=Asw,xi(t)Bsw,x VDCVbase Dsw,x 为结温常数遥 常数 Dsw,x 在 Asw,x袁Bsw,x袁Csw,x 确定后可以得到遥 57 TjTbase 式中院Tbase 为基值结温袁例如可选为 75毅曰 蓡 Dsw,x 蓡 Csw,x 渊8冤 蓘 p 3 Kraus RSIJ p 4 Sheng RSIJ 正把这些物理模型用到实际生产中是不太容易袁 它要求用户要很清楚地知道 IGBT 的内部结构和 每个阶段的工作过程遥 尤其是模型参数值的确定 是较复杂的过程袁对于一般使用器件的用户来说袁 是有些困难的[4]遥 2.2 基于数学方法的IGBT 损耗模型 这种方法与器件的具体类型无关袁 它是基于 大量数据的测量袁 试图寻找出功耗与各个影响因 素的数量关系遥 它的一个最大的优点是计算速度 快遥 但是由于它的工作是基于测量的袁所以在准确 性和所需数值的测试次数上需要一个折中遥 2.2.1 指数方法[22]~[27] 文献[22]~[27] 在计算 IGBT 损耗时都采用了 将损耗表示成负载电流指数幂的形式袁 它对导通 损耗和开关损耗采用不同的表达式袁 同时也考虑 了温度尧母线电压对模型的影响遥 !1" z{78 对于导通损耗采用仅将损耗 表示成负载电流的表达式遥 不同的参数值是从多 次测试中提取出来的遥 由式渊1冤尧式渊2冤袁并把导通压降用一个动态电 阻和一个常数压降表示遥 则导通损耗可以用下面 的式子表示 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
    POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS Vol.9No.5 May2006 第 9 卷第 5 期 2006 年 5 月 2.2.2 线性化方法 它的原理如图5 所示遥 文献[28][29]提出一种线性化方法计算损耗袁 Eswc=a+bI+cI2 从而导通损耗仅为负载电流的函数遥 !2"|z78 IGBT 的开通损耗可以表示为 渊11冤 同理袁a尧b尧c 可以通过用户手册或者曲线拟合的方 法得到遥 2.2.4 三角形方法 在文献[31][32]中提出一种利用 IGBT 电压电 流波形采用三角形方法计算损耗的方法遥 图 6 给出 IGBT 典型的开关波形袁其中图 6(a) 为关断波形袁图 6(b)为开通波形遥 由此袁可计算得 到关断损耗和开通损耗遥 !a" J6 IGBT 关断波形 !b" J6 IGBT |z波形 p 6 IGBT J|关波形 2.2.5 利用数据手册估算损耗 文献[33]提出一种利用器件的 数据手册估算 损耗的方法遥 给出一个计算的例子袁如图 7 所示遥 由此袁利用线性插值的方法得到开通损耗 渊12冤 Eon=AonIc+Bon = Eon(2)-Eon(1) Ic(2)-Ic(1) 袁Bon=Eon(2)-AonIc(2) Eoff=AoffIc+Boff (13) 式中院Aon=驻Eon驻Ic 关断损耗 p 5 786}~X 需要测量的仅仅是特定条件下一些电压尧电 流和结温值时的损耗值遥 由此通过插值的方法得 到任意电压尧电流和结温时的损耗值遥3 个参数 V袁 I袁Tj 分别代表电压袁电流和结温遥 P 是对应的功率 损耗遥在图5 中袁O1~O8 是需要知道的 8 个测试值遥 它们的关系为 O1=渊Vi1袁Tj1袁Ik1袁P1冤 O2=渊Vi1袁Tj1袁Ik2袁P2冤 O3=渊Vi1袁Tj2袁Ik3袁P3冤 O4=渊Vi1袁Tj2袁Ik4袁P4冤 O5=渊Vi2袁Tj3袁Ik5袁P5冤 O6=渊Vi2袁Tj3袁Ik6袁P6冤 O7=渊Vi2袁Tj4袁Ik7袁P7冤 O8=渊Vi2袁Tj4袁Ik8袁P8冤 要求的测试点的损耗可以通过插值的方法得遥 2.2.3 多项式方法 在文献[30]中提到计算损耗可以采用多项式 的方法遥 !1"z{78 一般来说袁导通压降为电流和 温度的函数遥 在特定温度下袁为了能更准确表示出 导通电压和电流的数量关系袁 将电压表示成电流 的二次多项式袁即 渊9冤 其中院ac尧bc尧cc 可以通过用户手册或者曲线拟合的 方法得到遥 如果考虑温度对导通电压的影响袁 可以将电 压采用式渊10冤的方法表示 渊10冤 这比通常采用的线性方法要精确的遥 Vc=acTat+bcTbtI+ccTctI2 Vc=ac+bcI+ccI2 58 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
    . A , 1999,14 , -circuit [C].1988, 鄄 [2] 辛伊波, 武新. PQ曲线拟合X6 IGBT T温测量[J]. . [3] etal 绎 仿真与建模 ’’’ IGBT 78=oV78IJ^_ ’’’ 2002. /业仪表与自动化装置 2002,(5):33-34 . SatoshiAzuma,MasahiroKimata,XinjianJiang, ResearchonthePowerLossandJunctionTemperature ofPowerSemiconductor VehicleElectronicsConference,1999.Proceedingsof [C].1999,(1):183-187 . theIEEEInternational [4] KuangSheng,Barry W Williams,Stephen J Finney. A IEEETransactionsonPower forInverter[A]. Devices [6]Hefner [5] Githiari A N,Gordon B M,McMahon R A, etal A R. A DynamicElectro-thermalModelforthe IEEETransactionsonIndustryApplications ReviewofIGBTModels[J]. Electronics, 2000,15:1250-1266. ComparisonofIGBTModelsforUseinCircuitDesign [J]. IEEETransactionsonPowerElectronics (4):607-614. IGBT[J]. 1994,30(2):394-405. [7] Hefner A R.Analytical Interactions Transistor(IGBT)[A]. Meeting(IEEEIndustryApplicationSociety) 35(6):606-614. [8] Hefner A R.ImprovedUnderstandingfortheTransient OperationofthePowerInsulatedGateBipolarTransis tor(IGBT)[A]. ProceedingsPESCRecord-IEEEPower [C].1989,1:303-313. ElectronicsSpecialConference thePowerInsulatedGateBipolar ConferenceRecord-IASAnnual ModelingofDevice for [11] Hefner A R.An [10] Hefner A R.AnalyticalModelingofDevice [9] Hefner A R. AnInvestigationoftheDriveCircuit RequirementsforthePowerInsulatedGateBipolar Transistor(IGBT)[A]. ProceedingsPESCRecord-IEEE [C].1990,126- PowerElectronicsSpecialConference 137. -circuit Interactions Transistor Applications, 1990,26:995-1005. RequirementsforthePowerInsulatedGateBipolar Transistor Electronics, 1991,6:208-219. [12] Hefner A R.AnImprovedUnderstandingforthe Transient OperationofthePowerInsulatedGate BipolarTransistor PowerElectronics , 1990,5:459-468. Gate BipolarTransistor forthePowerInsulatedGateBipolar (IGBT)[J]. IEEETransactionsonIndustry InvestigationoftheDriveCircuit IEEETransactionsonPower [13] Mitter C S,Hefner A R,Chen D Y, etal . Insulated (IGBT) Modeling Using IEEETransactionson (IGBT)[J]. (IGBT)[J]. p 7 SGP20N60 在 Tjmax J|关78 = Eoff(2)-Eoffn(1) Ic(2)-Ic(1) 袁Bon=Eoff(2)-AoffnIc(2) 这样方法可以考虑门极电阻和温度对损耗的 式中院Aon=驻Eoff驻Ic 影响遥 3 结语 基于物理结构的损耗模型和 IGBT 功率器件 损耗计算是在器件等效物理模型的基础上袁 通过 仿真得到所有工作点的电流尧电压波形袁再根据仿 真波形计算得到器件的功耗遥 因此如何准确地得 到物理模型袁 从而得到准确的仿真波形是这种模 型在应用中最大的难点遥 同时袁器件工作时的损耗 与其导通电流尧阻断电压尧门极驱动电路等有关袁 特别是在 PWM 模式下工作的变换器袁 其工作电 压尧电流等参数是不断变化的袁而通过上述方法很 难得到所有工作情况下的电流电压波形遥 而且袁器 件功率损耗渊包括导通损耗和开关损耗冤与其结温 也有关系袁 因而袁 必须把损耗和结温结合起来考 虑袁才能得到比较准确的尧接近实际的工作点遥 基于数学方法的损耗模型和 IGBT 功率器件 损耗计算是以实验为基础袁根据实验结果袁采用某 种算法求出功率损耗与电流尧电压尧温度等参数的 函数关系袁 再依此关系通过多次重复求出其它任 意工作点的功耗值遥 这种模型避免了器件众多参 数提取的困难袁计算速度快袁而且与器件具体型号 无关袁通用性方面比较好遥 参考文献 [1] 林渭勋.现代-力-子-路[M]. 23:*%+,i版社 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 59
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