IGBT损耗计算及散热设计方法
IGBT损耗计算及散热设计方法
资料参考：《富士电机株式会社》
1.IGBT损耗的计算方法
1.1 关于IGBT的损耗
IGBT 模块由 IGBT 单元和 FWD 单元构成，它们各自产生的损耗之和即为 IGBT 模块整体所产生的损耗。另外，损耗一般可以分为导通损耗和开关损耗，进一步的细分如下所示。
IGBT的总损耗组成：
无论 IGBT 单元还是 FWD 单元的导通损耗均可通过输出特性计算。同时，开关损耗能通过开关损耗-集电极电流特性计算。根据计算出的损耗进行散热设计，保证结温 Tj不超过允许值。
因此，计算损耗时通常使用高结温的通态电压和开关损耗的值来进行计算。
这些特性数据均可以参考功率模块的数据手册。
1.2直流斩波电路IGBT损耗的计算方法
直流斩波电路工作时，可以将 IGBT 或 FWD 中流过的电流认为是连续的矩形波，从而简单地进行近似计算。如图所示表示近似的直流斩波电路的工作波形。集电极电流为 IC时的饱和压降、开关损耗分别为 VCE(sat)、Eon、Eoff，FWD 正向电流为 IF时的通态电压、反向恢复损耗分别为 VF、Err，IGBT 模块损耗的近似计算如下。
IGBT 损耗(W)=导通损耗+开通损耗+关断损耗 ：
FWD 损耗(W)=导通损耗+反向恢复损耗
直流斩波电路的工作波形：
实际上的直流电源电压和门极电阻值等条件与规格书上所记录的内容可能有差异，在这种情况下，可以按照下面的规则进行近似计算。
① 直流电源电压 Ed(VCC)不同时
通态电压：不受 Ed(VCC)影响 ；
开关损耗：与 Ed(VCC)成正比；
②门极电阻值不同时
通态电压：不受门极电阻值影响 ；
开关损耗：与开关时间成正比，取决于门极电阻值大小 ；
1.3正弦波VVVF变频器应用时IGBT模块损耗的计算方法
*VVVF，是Variable Voltage and Variable Frequency的缩写， 意为：可变电压、可变频率，也就是变频调速系统。 VVVF控制的逆变器连接电机，通过同时改变频率和电压，达到磁通恒定（可以用反电势/频率近似表征）和控制电机转速（和频率成正比）的目的，所以多应用在变频器中，属于工业自动化领域。
通过 VVVF 变频器等进行 PWM 控制时，如图 6-2 所示，由于电流值与动作状态始终在变化，因此损耗的详细计算需要运用计算机模拟技术等。但是，由于其计算方法过于复杂，在此介绍一下使用近似公式进行简略计算的方法。
1) 前提条件
在进行计算时，以下列内容为前提条件。
・ 正弦波电流输出的 3 相 PWM 调制 VVVF 变频器 ；
・ 通过正弦波、三角波比较的 PWM 调制 ；
・ 输出电流为理想的正弦波；
2) 导通损耗(Psat､ PF)的计算方法
IGBT 和 FWD 的输出特性如图 6-3 所示，从规格书的数据可以得出近似值。
因此，导通损耗为：
IGBT 侧的导通损耗：
考虑到电流输出半波的情况，式中 ：
I m：有效值 ；
DT：IGBT 的平均导通占空比。
于是可以计算出一个周期的平均导通损耗为 ：
同样地，可以计算出一个周期的 FWD 侧导通损耗为 ：
DF：在电流输出半波的情况下，FWD 的平均导通占空比。
在电流输出半波的情况下，IGBT 及 FWD 的平均导通占空比与功率因数的近似关系如图 6-4 所示。
3) 开关损耗
开关损耗-IC特性，如图 6-5 所示，一般使用以下公 式作近似计算。
a、b、c：修正系数 ；
Eon’、Eoff’、Err’：额定电流 IC时的 Eon、Eoff、Err值 。
因此，开关损耗的近似计算如下所示：
开通损耗(Pon) ：
关断损耗（Poff）：
FWD 反向恢复损耗(Prr)
4) 总损耗
根据 2)和 3)项的计算结果，IGBT单元产生的损耗为：
FWD单元产生损耗为：
实际上,直流电源电压与门极电阻等与规格书记录的内容可能有差异，与 1.2 项采用同样的思路，可作简略计算。
2.散热器（冷却体）的选定方法
电力二极管、IGBT、晶体管等功率模块，导电端子和安装底板多数情况下处于绝缘状态。因此在一个散热器上可以同时安装多个元件，这样安装时既容易，又可以实现紧凑设计。为了让这些元件能够安全可靠地工作，工作时需要使各元件产生的损耗（热）高效耗散，所以如何选择散热器将起到关键性作用。以下阐述选定散热器的基本思路。
（1）稳态的热方程式
半导体元件的热传导可以将它等效为电路予以解释。这里仅考虑将 IGBT 模块安装到散热器上的情形。此时，就热量而言，可以转换为如图 6-6 所示的等效电路。
通过上述的等效电路，结温(Tj)可以由下列热方程式求得。
但是，这里所说的外壳温度 TC和散热器温度 Tf是如图 6-13 所示位置的温度。如图 6-7 所示，芯片正下方外壳温度以外的各点温度在测定时均低于实际值，并且由于受散热器散热性能的制约，设计时需要注意。
图 6-8 表示了将 IGBT（2 个 IGBT 模块）和桥式二极管模块同时安装到散热器上时的等效电路实例。此时，热方程式为：
根据这些公式，请在确认 Tj不超出 Tj max的条件下选择散热器。
（2）瞬态的热方程式
一般情况下，虽然如前面所述，从平均产生的损耗考虑导通的 Tj已经足够，但实际上每次反复开关产生的损耗是脉冲状态的，因此形成了如图 6-10(a)所示的温度脉动。这种情况下，将产生的损耗看作一定周期与一定的峰值形成的连续矩形脉冲波，使用规格书中记录的如图 6-9 所示的瞬态热阻曲线，能够近似计算出温度脉动的峰值(Tjp)。图 6-10(b)是使用瞬态热阻计算温度脉动的实例。
也请在确认该 Tjp没有超过 Tj max的条件下选择散热器。
3.IGBT模块的安装方法
（1）安装在散热器上
热阻根据 IGBT 模块的安装位置而变化，请注意以下几点。
・ 一个 IGBT 模块安装到散热器上时，如果安装在散热器中心处，则热阻变成最小。
・ 在同一个散热器上安装多个 IGBT 模块时，请考虑各个 IGBT 模块产生的损耗情况的基础上，决定安装的位置。对于损耗比较大的 IGBT 模块，需要比较大的散热面积。
（2）散热器表面的处理
关于安装 IGBT 模块的散热器的表面处理，螺钉位置间距 100mm 时，平坦度控制在 50 ㎛以下，表面粗糙度控制在 10 ㎛以下。散热器表面如有凹陷，会导致接触热阻(Rth(c-f))的增加。另外，散热器表面的平面度在上述范围以外时，IGBT 模块安装时（特别是紧固时）会给 IGBT 模块内部位于芯片与金属底板间的绝缘基板增加应力，有可能产生绝缘破坏。
（3）散热导热硅脂的涂抹
在使用模块时，为了减小接触热阻，请在散热器与 IGBT 模块的安装面之间涂抹散热导热硅脂。
涂抹散热导热硅脂时，可以通过滚轮涂抹也可使用丝网进行涂抹。
虽然散热导热硅脂会促进散热器的热传导，但其本身含有热电容，如果涂抹地过厚会妨碍散热器散热性能导致芯片温度上升，如果散热导热硅脂涂抹地过薄，则散热器和模块间会出现导热硅脂没有充分填充的部分，导致接触热阻上升。所以，必须以适当的厚度均匀地涂抹散热导热硅脂。如果散热导热硅脂的涂抹厚度不当，散热器的散热性能会变差，最坏的情况可导致芯片温度超过 Tj max从而造成模块损坏。
因此，为保证散热导热硅脂以均匀合适的厚度涂抹在模块背面，推荐使用丝网进行涂抹。使用丝网涂抹散热导热硅脂的实例流程图如图 6-11 所示。基本方法为，将既定重量的散热导热硅脂用丝网涂抹在 IGBT 模块的金属表面。然后，将涂抹过散热导热硅脂的 IGBT 模块以各产品推荐的力矩用螺钉紧固在散热器上，这样就能使散热导热硅脂的厚度大致均匀。
这里，通过下式可算出散热导热硅脂厚度均匀的情况下所需要的重量。
请以此式求出需要的散热导热硅脂厚度的重量，将该重量的散热导热硅脂涂抹在模块上。这里散热导热硅脂涂抹开后的厚度（散热导热硅脂厚度）推荐为 100 ㎛左右。另外，导热硅脂的最佳涂抹厚度会根据混合剂的特性及涂抹方法等而有所变化，请确认后再使用。
（4）安装紧固方法
IGBT 模块安装时，螺钉的紧固方法如图 6-12 所示。另外，螺钉请根据推荐的紧固力矩范围予以紧固。 推荐的力矩在规格书中有记录，请另行参考。如果该力矩不足，可能使接触热阻变大，或在动作中产生松动。反之，如果力矩过大，可能引起外壳损坏。
（5）IGBT模块的安装方向
将 IGBT 模块安装在由挤压模具制作的散热器上时，如图 6-12 所示，建议 IGBT 模块的安装与散热器挤压方向平行。这是为了减小散热器变形的影响。
（6）温度的测量
选定散热器，决定了 IGBT 模块的安装位置后，请测量各部分的温度，确认 IGBT 模块的结温(Tj)不超出额定值或设计值。
外壳温度（TC）、散热器温度（Tf）的正确测量方法实例如图 6-13 所示。
