WordIGBT的損耗與結(jié)溫計(jì)算【導(dǎo)讀】與大多數(shù)功率（半導(dǎo)體）相比，（IGBT）通常需要更復(fù)雜的一組計(jì)算來(lái)確定（芯片）溫度。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)IGBT都采用一體式封裝，同一封裝中同時(shí)包含IGBT和（二極管）芯片。為了知道每個(gè)芯片的溫度，有必要知道每個(gè)芯片的功耗、頻率、θ和交互作用系數(shù)。還需要知道每個(gè)器件的θ及其交互作用的psi值。

本應(yīng)用筆記將簡(jiǎn)單說明如何測(cè)量功耗并計(jì)算二極管和IGBT芯片的溫升。

損耗組成部分

根據(jù)電路拓?fù)浜凸ぷ鳁l件，兩個(gè)芯片之間的功率損耗可能會(huì)有很大差異。IGBT的損耗可以分解為導(dǎo)通損耗和開關(guān)（開通和關(guān)斷）損耗，而二極管損耗包括導(dǎo)通和關(guān)斷損耗。準(zhǔn)確測(cè)量這些損耗通常需要使用（示波器），通過電壓和（電流）探針監(jiān)視器件運(yùn)行期間的波形。測(cè)量能量需要用到數(shù)學(xué)函數(shù)。確定一個(gè)開關(guān)周期的總能量后，將其除以開關(guān)周期時(shí)間便可得到功耗。

IGBT開通

圖2.IGBT開通損耗波形

將開通波形的電壓和電流相乘，即可計(jì)算出該周期的功率。功率波形的積分顯示在屏幕底部。這就得出了IGBT開通損耗的能量。

功率測(cè)量開始和結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)可以任意選擇，但是一旦選定了一組標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量就應(yīng)始終遵循這些標(biāo)準(zhǔn)。

IGBT導(dǎo)通損耗

圖3.IGBT傳導(dǎo)損耗波形

導(dǎo)通損耗發(fā)生在開通損耗區(qū)和關(guān)斷損耗區(qū)之間。同樣應(yīng)使用積分，因?yàn)樵撝芷趦?nèi)的功率并不是恒定的。

IGBT關(guān)斷

圖4.IGBT關(guān)斷損耗波形

開通、導(dǎo)通和關(guān)斷損耗構(gòu)成了IGBT芯片損耗的總和。關(guān)斷狀態(tài)損耗可以忽略不計(jì)，不需要計(jì)算。為了計(jì)算IGBT的總功率損耗，須將這三個(gè)能量之和乘以開關(guān)頻率。

IGBT損耗必須使用阻性負(fù)載或在負(fù)載消耗功率的部分周期內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。這樣可消除二極管導(dǎo)通。

圖5.二極管導(dǎo)通損耗波形

FWD反向恢復(fù)

圖6.二極管反向恢復(fù)波形

圖5和圖6顯示了二極管在整流器或電抗模式下工作期間的電流和電壓波形。二極管損耗的計(jì)算類似于IGBT損耗。

需要了解的是，損耗以半正弦波變化。需要考慮從峰值到過零的變化，以得出器件的平均功耗。

IGBT和二極管功耗計(jì)算

測(cè)量完這五個(gè)損耗分量后，需要將它們與測(cè)量條件相關(guān)聯(lián)，以便計(jì)算每個(gè)芯片的總功耗。

圖7.感性負(fù)載波形

圖7顯示了感性負(fù)載（如（電機(jī)））的典型電壓和電流波形。

從t0到t1，電流為電抗性，二極管傳導(dǎo)電流。

從t1到t2，電流為阻性，IGBT傳導(dǎo)電流。

這些時(shí)間段的功耗具有重要價(jià)值?；趩蝹€(gè)脈沖計(jì)算每個(gè)時(shí)間段的平均功耗非常復(fù)雜，但我們可以合理的精度進(jìn)行估算。為此，我們需要計(jì)算該時(shí)間段的平均功耗。

在這種情況下，有必要計(jì)算平均（或加熱）當(dāng)量。對(duì)于電壓和電流值，它是均方根值；對(duì)于功率，它是平均值。

平均功耗

此公式計(jì)算的是正弦波每個(gè)四分之一部分的功率，因此要進(jìn)行校正，我們需要在分母中添加一個(gè)因子4。只要電壓過零點(diǎn)在0°和90°之間（對(duì)于感性負(fù)載必定如此），這就是有效的，故公式變?yōu)椋?/p>

二極管

二極管在t0到t1期間傳導(dǎo)電流。利用電壓過零點(diǎn)的波形可得出二極管的峰值功耗。知道此功耗值后，我們可以使用t0到t1期間的平均功耗公式來(lái)求得二極管的平均功耗。

此時(shí)間段的示例計(jì)算如下所示。

2W功率出現(xiàn)在進(jìn)入周期后的2.5ms時(shí)。要計(jì)算正弦波峰值處的等效功率，我們需要比較這兩點(diǎn)的幅度。

峰值幅度出現(xiàn)在90°或π/2弧度處，相當(dāng)于幅度1。2.5ms處的幅度為sin(π×2.5ms/10ms)或0.707，因此正弦波峰值處的功率為：

IGBT

對(duì)于正電壓半周期，IGBT在t1到t2期間傳導(dǎo)電流。IGBT的平均功耗計(jì)算與二極管功耗的計(jì)算方法類似。其示例計(jì)算如下所示。

對(duì)于IGBT分析，我們將計(jì)算完整半正弦波期間(t0–t2)的IGBT功耗，然后計(jì)算二極管導(dǎo)通期間(t0–t1)的IGBT功耗，再?gòu)那耙还闹袦p去后一功耗。

然后計(jì)算二極管導(dǎo)通期間的功耗

由于t2=T/2，故公式變?yōu)?/p>

芯片溫度計(jì)算

一旦計(jì)算出兩個(gè)芯片的功耗值，就可以使用數(shù)據(jù)表中的曲線計(jì)算芯片溫度。兩個(gè)芯片的溫度一般不相同。每個(gè)芯片有一個(gè)θ，并有一個(gè)交互作用系數(shù)Psi。

θ是從芯片到封裝外殼或引線的熱阻，它有不同的名稱，例如RΘJC是結(jié)至外殼熱阻。Psi是一個(gè)常數(shù)，表示芯片中未被計(jì)算的熱效應(yīng)。它基于芯片之間的距離。

通常，對(duì)于IGBT使用的大多數(shù)TO-247和TO-220封裝，0.15°C/W是一個(gè)合理的估計(jì)值。

圖8.IGBT熱曲線

圖9.二極管熱曲線

圖8和圖9顯示了典型封裝中IGBT和二極管的熱響應(yīng)曲線。曲線上給出了直流值。對(duì)于IGBT，它是0.486°C/W；對(duì)于二極管，它是1.06°C/W。

為了計(jì)算給定功率水平對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)溫度，只需要功耗值、直流θ和外殼溫度。計(jì)算如下：

示例：

交互作用系數(shù)Psi=0.15°C/W

IGBT的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫為：

TJ-IGBT=97.6°C（平均結(jié)溫）

二極管的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫為：

TJ-（DIODE）=85.2°C（平均結(jié)溫）

為了計(jì)算峰值結(jié)溫，我們可以將脈沖值增加到穩(wěn)態(tài)（或平均）溫度中。此計(jì)算需要上述計(jì)算得出的結(jié)溫，并加上瞬時(shí)溫度變化。

唯一需要的新常數(shù)是IGBT或二極管對(duì)于所需脈沖寬度的脈沖值。在50Hz的線頻率下，半周期的時(shí)間為10ms。根據(jù)圖8，對(duì)于10ms脈沖和50%占空比，RIGBT值為0.375°C/W；根據(jù)圖9，相同條件下的RDIODE值為0.95°C/W。

基本公式如下：

因此，對(duì)于上述條件，峰值結(jié)