IGBT結(jié)溫的近似計算方法及應(yīng)用

李巖磊，楊 寧，馬穎濤

(中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京100081)

IGBT結(jié)溫的近似計算方法及應(yīng)用

李巖磊，楊 寧，馬穎濤

(中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京100081)

描述了IGBT的結(jié)構(gòu)及散熱原理。介紹了一種IGBT結(jié)溫近似計算方法，將IGBT的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗的計算大大簡化，使結(jié)溫的計算變得簡便易行。通過應(yīng)用實例驗證了近似計算方法的可行性和準確性。

IGBT結(jié)構(gòu);IGBT散熱原理;結(jié)溫的近似算法;結(jié)溫近似算法的應(yīng)用

由于可控性好、易于使用以及功率等級高等優(yōu)點，IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)作為半導(dǎo)體器件已經(jīng)在許多電力電子應(yīng)用中得到廣泛地使用。在機車車輛中的許多電力電子設(shè)備比如牽引變流器、輔助變流器和充電機等也選用IGBT作為半導(dǎo)體器件，在這類應(yīng)用中，車載變流器工作環(huán)境比較惡劣，因為安裝空間的限制，對于發(fā)熱部件尤其是IGBT這類半導(dǎo)體功率器件的散熱提出了很大挑戰(zhàn)，如果散熱不好，導(dǎo)致IGBT的P－N結(jié)的結(jié)溫超過規(guī)定的限值，使IGBT失效率升高，甚至會導(dǎo)致IGBT直接炸裂，導(dǎo)致嚴重事故。所以要及時監(jiān)控IGBT的結(jié)溫，以便做好保護措施，防止事故的發(fā)生。

在實際應(yīng)用中IGBT的結(jié)溫是無法直接測量的，只能通過一些外部參數(shù)和IGBT的結(jié)構(gòu)特點來推算結(jié)溫，由于IGBT的物理模型很復(fù)雜，很難精確地計算它的損耗和結(jié)溫，本文提供一種IGBT結(jié)溫的近似計算方法，能夠根據(jù)一些易于測量的外部參數(shù)，通過一系列計算近似推導(dǎo)得出IGBT的結(jié)溫。

1 IGBT結(jié)構(gòu)及散熱簡介

1.1 IGBT結(jié)構(gòu)

IGBT模塊的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要由芯片、綁定線、陶瓷基片、焊接層和銅底板組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。其中主要的發(fā)熱部分是芯片，在IGBT工作時，在電壓和電流的作用下，芯片中的P－N節(jié)上會產(chǎn)生損耗發(fā)熱，這些熱量通過IGBT模塊的其他組成部分層層傳導(dǎo)到銅底板上，最后通過外加的散熱器散發(fā)掉，為了保證散熱器與IGBT底板充分接觸，在他們之間要涂抹導(dǎo)熱硅脂。

圖1 IGBT結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 IGBT散熱原理［3］

IGBT芯片PN結(jié)上產(chǎn)生的熱量可以看做是通過3個環(huán)節(jié)散發(fā)掉的，這3個環(huán)節(jié)為芯片—外殼、外殼—散熱器和散熱器—環(huán)境，如圖2所示，每個環(huán)節(jié)都有熱阻，芯片—外殼熱阻定義為Rthjc，外殼—散熱器熱阻定義為Rthch，散熱器—環(huán)境熱阻定義為Rthha，損耗發(fā)熱經(jīng)過每個環(huán)節(jié)的散熱都會產(chǎn)生溫差，在圖2中可以清楚地看到對于幾個溫差的定義。根據(jù)熱力學(xué)公式，溫差等于損耗功率P與熱阻Rth的乘積，對于芯片—外殼之間的溫差(ΔTjc)，可由式(1)來表示。

圖2 IGBT散熱原理圖

由此可推出芯片結(jié)溫(Tj):

同理對于外殼—散熱器之間的溫差(ΔTch)，可由式(3)來表示。

由此可推出IGBT外殼的溫度(Tc):

將式(4)代入式(2)可得出結(jié)溫和散熱器溫度(Th)的關(guān)系:

同樣地，散熱器—環(huán)境溫差(ΔTha)，可由式(6)來表示，這里的功率損耗Ptot表示IGBT模塊的總損耗。

由此可推出散熱器的溫度(Th):

將式(7)代入式(5)可得出結(jié)溫和環(huán)境溫度的關(guān)系:

在式(8)中，損耗P是要重點進行推算的，在下面會做詳細介紹。

2 IGBT模塊損耗計算

IGBT模塊中包含IGBT芯片和續(xù)流二極管芯片，由于工作原理不同，并且結(jié)構(gòu)上也有差異，計算損耗時需要對這兩種芯片分別計算。

2.1 IGBT芯片損耗計算

IGBT芯片并不是理想的開關(guān)，在導(dǎo)通時由于飽和壓降會產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，在開通和關(guān)斷時會產(chǎn)生開關(guān)損耗，這兩種損耗構(gòu)成了IGBT芯片的總損耗。

(1)IGBT芯片導(dǎo)通損耗

在IGBT芯片導(dǎo)通時，流過芯片的電流Ic急劇上升，集電極和發(fā)射極間電壓Vce急劇下降直到飽和，這時因為芯片內(nèi)阻的存在，飽和壓降Vcesat并不為零，通常為幾個伏特，由于電流Ic和飽和壓降Vcesat的同時存在，就產(chǎn)生了導(dǎo)通損耗。導(dǎo)通過程中電流Ic和飽和壓降Vcesat曲線比較復(fù)雜，無法用公式準確表達，在這里可以做一個近似處理，將電流Ic看做是線性的，對最終的計算不會產(chǎn)生很大影響。

IGBT的數(shù)據(jù)手冊會給出Ic=f(Vce)的曲線，見圖3。從圖中可以看出隨著Ic的增大，特性曲線越接近直線，因為我們考慮的重點是IGBT在大電流下工作時的結(jié)溫，所以可以對特性曲線做個近似處理，如圖3所示，可以得出式(9)所表示的直線。需要注意的是，數(shù)據(jù)手冊中通常會給出低結(jié)溫 Tvj=25℃ 和高結(jié)溫 Tvj= 1 25℃(或150℃)時的Ic=f(Vce)的曲線，從圖3可以看出，在同樣的電流Ic下，高結(jié)溫對應(yīng)的飽和壓降Vce比低結(jié)溫的要大，為了使近似計算結(jié)果有足夠的安全裕量，一般選取高結(jié)溫對應(yīng)的曲線做近似處理。

圖3 IGBT芯片的Ic=f(Vce)近似處理

下面以三相逆變器為例來介紹損耗的計算。三相逆變器的電路結(jié)構(gòu)圖和相關(guān)電壓與電流的波形見圖4。輸入電壓Vdc和輸出電流Ic的值是被實時測量的，Ic為逆變器輸出電流，也就是IGBT集電極上的電流。在公式中電流Ic用瞬時值ic來表示。

圖4 三相逆變器電路結(jié)構(gòu)圖

在三相逆變器中，每個IGBT模塊在一個正弦波周期內(nèi)只工作半個周期，所以式(10)的t1－t2確定為0－，這樣一個周期內(nèi)的損耗可以用式(12)來表示。

將式(10)和(11)代入公式(12)，可以得出式(13)，其中τ(t)為占空比。

由于在IGBT導(dǎo)通期間，IGBT芯片只是工作部分時間，剩下的時間由二極管芯片來續(xù)流。IGBT芯片導(dǎo)通的占空比τ(t)用式(14)來表示。其中m為調(diào)制系數(shù)，φ為相位角。

由式(13)和(14)可以推導(dǎo)得出IGBT導(dǎo)通損耗的完整公式(15)。

(2)IGBT芯片開關(guān)損耗

由于不是理想開關(guān)，在IGBT芯片開通和關(guān)斷的瞬間，電壓和電流總會有重疊區(qū)，所以會產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損耗，見圖5和圖6。因為開通和關(guān)斷過程過于復(fù)雜，很難用公式準確地表述出來，所以使用近似算法是很有必要的。

圖5 IGBT開通過程

圖6 IGBT關(guān)斷過程

在IGBT的數(shù)據(jù)手冊中會給出在標稱電壓Vnom下IGBT芯片上產(chǎn)生的開通能量Eon和關(guān)斷能量Eoff與集電極電流Ic的Eon=f(Ic)和Eoff=f(Ic)關(guān)系曲線，見圖7，從這些曲線上可以讀出標稱電流 Inom對應(yīng)的 Eon，nom(Inom，Vnom)和 Eoff，nom(Inom，Vnom)，在三相逆變器輸入電壓Vdc與標稱電壓Vnom近似并且工作條件與標稱條件相近(±20%)的情況下，可以認為Eon和Eoff與Ic和Vdc近似成比例關(guān)系，由此，開關(guān)能量可以用公式(16)表示出來。

圖7 Eon=f(Ic)和Eoff=f(Ic)關(guān)系曲線

一個正弦波周期內(nèi)的開關(guān)損耗可以用式(17)表示。

在式(17)中，n表示開關(guān)頻率fSW與基波頻率的倍數(shù)關(guān)系。由式(16)和式(17)可以進一步推導(dǎo)出開關(guān)損耗的最終表達式，見式(18)。

將IGBT芯片的導(dǎo)通損耗和開通損耗相加即可得到IGBT芯片的總損耗，見式(19)。

2.2 二極管芯片損耗計算

(1)二極管芯片導(dǎo)通損耗

和IGBT芯片類似，反并聯(lián)的二極管芯片也不是理想的開關(guān)，在IGBT關(guān)斷時，電流通過二極管續(xù)流，在二極管芯片正向?qū)〞r，其上會產(chǎn)生正向?qū)妷篤F，由此產(chǎn)生了導(dǎo)通損耗。

二極管芯片導(dǎo)通損耗的計算方法與IGBT芯片導(dǎo)通損耗類似，需要注意的是，在一個開關(guān)周期內(nèi)，二極管芯片的工作時間與IGBT芯片正好相反，所以其占空比的表達式要相應(yīng)地改變，如式(20)所示。

IGBT的數(shù)據(jù)手冊會給出二極管的IF=f(VF)曲線，該曲線經(jīng)線性化處理后可用式(21)表示，近似化的曲線見圖8。由于二極管是起續(xù)流作用的，所以IF=Ic，在公式中直接用瞬時值ic代替iF。

二極管芯片導(dǎo)通損耗可以用式(22)表示。

將式(11)、式(20)和式(21)代入式(22)，可最終得出二極管芯片導(dǎo)通損耗的表達式(23)

圖8 二極管芯片的IF=f(VF)近似處理

(2)二極管芯片開關(guān)損耗

在二極管反向恢復(fù)的時候，也就是由正向?qū)ㄞD(zhuǎn)為反向阻斷的瞬間，二極管芯片上會通過反向電流，然后再恢復(fù)為反向阻斷狀態(tài)，在這個過程中有反向恢復(fù)能耗Erec，造成開關(guān)損耗。

和IGBT芯片的開關(guān)損耗一樣，在IGBT數(shù)據(jù)手冊中會給出Erec=f(IF)曲線。在工作條件與標稱條件相近的情況下可以認為標稱開關(guān)損耗Erec，nom與IF和Vdc近似成比例關(guān)系，和IGBT芯片的開關(guān)損耗推導(dǎo)方法類似，可以得出式(24)。

所以由式(24)和式(25)可得出二極管芯片開關(guān)損耗的最終表達式，見式(26)。

但是需要注意的是，經(jīng)過修正的式(25)能更準確地表示出開關(guān)損耗Erec和電流IF的關(guān)系。

將IGBT芯片的導(dǎo)通損耗和開通損耗相加即可得到二極管芯片的總損耗，見式(27)。

3 IGBT模塊結(jié)溫計算

當計算得出了IGBT芯片和二極管芯片的損耗之后，就可以計算得到 IGBT模塊的總損耗 Ptot，見式(28)，在知道散熱器熱阻Rthha環(huán)境溫度Ta的情況下通過式(7)可以得到散熱器的溫度Th，然后根據(jù)散熱器溫度和各部分的熱阻值就可以計算得出IGBT芯片Tj，IGBT和二極管芯片Tj，Diode的結(jié)溫，具體算式見式(29)和式(30)。

4 應(yīng)用

下面使用本文論述的近似算法來計算一個城軌逆變器的IGBT結(jié)溫，在實際應(yīng)用中，有一種城軌的三相逆變器選用英飛凌的IGBT，型號為FZ1600R17HP4_ B2［4］。近似計算所需要的IGBT參數(shù)可以從該型號的數(shù)據(jù)手冊查到或依照上文介紹的方法推算出來。

將相應(yīng)IGBT參數(shù)和逆變器參數(shù)代入式(15)～式(30)中，就可以計算得出IGBT芯片結(jié)溫和二極管芯片結(jié)溫。同時使用英飛凌公司的IPOSIM軟件對本實例進行仿真，將仿真得出的結(jié)果與近似計算的結(jié)果進行對比，可以發(fā)現(xiàn)這兩種方法得到的IGBT芯片結(jié)溫和二極管芯片結(jié)溫偏差很小。

因此可以認為在一定條件下，近似計算的方法是可行的，能夠比較準確地計算出IGBT芯片和二極管芯片的結(jié)溫。

5 結(jié) 論

在實際應(yīng)用中，有時需要實時掌握IGBT模塊結(jié)溫的變化，由于結(jié)溫難以測量，所以通常的做法是根據(jù)IGBT模塊物理結(jié)構(gòu)建立復(fù)雜的模型，再計算得到結(jié)溫，鑒于IGBT模塊結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，計算公式一般都比較復(fù)雜，計算量偏大，這就加大了控制處理器的負荷，計算速度下降，導(dǎo)致無法及時地獲得結(jié)溫。本文所介紹的這種近似計算結(jié)溫的方法簡單易行，計算量小，一般能夠滿足實際應(yīng)用要求。

［1］ Applying IGBTs［Z］.ABB Switzerland Ltd，Semiconductors.Sep 2013.

［2］ Calculation of major IGBT operating parameters［Z］.Infineon Ltd.Aug 1999.

［3］ 梁知宏.IGBT模塊的損耗、溫度和安全運行［Z］.2007.

［4］ FZ1600R17HP4_B2數(shù)據(jù)手冊［Z］.Infineon Ltd.Jan 2010.

A Method of The Approximate Calculation of Junction Temperature of IGBT and Its Application

LI Yanlei，YANG Ning，MA Yingtao
(China Academy of Railway Science，Locomotive and Car Research Institute，Beijing 100081)

Described the structure and the power dissipation mechanism of IGBT.Presented a method of the approximate calculation of junction temperature，it made the calculation of the IGBT conduction losses and the switching losses simplified greatly，and made the calculation of junction temperature simple and easy.Furthermore，verified the feasibility and the accuracy of the approximate calculation through a application case.

the structure of IGBT;the power dissipation mechanism of IGBT;the approximate calculation of junction temperature;the application of the approximate calculation of junction temperature

U264.3+7

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.09

1008－7842(2015)02－0036－05

6—)男，助理研究員(

2015－02－15)