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 长滩河 发表于: 2023-2-8 15:14:00|显示全部楼层|阅读模式

[2023年] 如何手动计算IGBT的损耗

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源自:电子产品世界
  现今随着高端测试仪器和仿真软件的普及,大部分的损耗计算都可以使用工具自动完成,节省了不少精力,不得不说这对工程师来说是一种解放,但是这些工具就像黑盒子,好学的小伙伴总想知道工作机理。其实基础都是大家学过的基本高等数学知识。今天作者就帮大家打开这个黑盒子,详细介绍一下IGBT损耗计算方法同时一起复习一下高等数学知识。
  本文引用地址:
  我们先来看一个IGBT的完整工作波形:
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  的损耗可以分为开关损耗和导通损耗,其中开关损耗又分为开通和关断两部分,下面我分别来看一下各部分的计算推导过程。
  开关损耗-开通部分
  我们先来看一下理想的IGBT开通波形:
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  我们需要先分别写出电流和电压的线性方程,先看电流线性方程:分别找到电流开关波形中的两个坐标(0,0)和(Δt_on,Ic),那么电流线性方程:
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  电压线性方程,同样找到电压波形中的两个坐标(0,Vce),(Δt-on,0),那么电压线性方程:
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  根据损耗计算的定义:
b34d-8ea127ce46873bb1d8f034ab3ef24bcd.png
  这样开关损耗中的开通部分计算公式我们就推导完成了,那是不是我们有了计算公式就可以直接用了呢?我们先来看看实际的开通波形:
6a92-8ac0e0fee26385da82d6e8903a1a25bb.png
  上图是实测的IGBT开通波形,蓝色是Vce波形,红色是Ic波形。可以看到Ic在整个上升过程中还是比较线性的,但是Vce在跌落的时候斜率分成了几段,这个时候我们推导的理想开关波形的损耗似乎就没什么用了,那怎么办呢?
  其实虽然我们之前的推导结果不能直接用,但是推导过程我们还是可以借鉴的,我们可以把整个波形根据Vce 的斜率分成几个部分来近似计算,如下图所示,对应时间分别是Δt1,Δt2,Δt3。
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  我们先来计算Δt1部分的损耗:
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  如上图,我们先找到电压和电流波形与Δt1时间标注线的四个交点,标注为:
  A(0,Vce1),B(Δt1,Vce2),C(0,0),D(Δt1,Ic1)。
  Δt1内的Vce表达式:
2adc-2d792aa7d2ac5679a5cf453d189ecc13.png
  Δt1内的Ic表达式:
627e-4e34358ad061cf02428912001cd57430.png
  Δt1内的损耗表达式及推导:
7bec-9981d772a6c46d901071e7cf40aacc1b.png
  从波形中可以读出:
  Vce1=260V,Vce2=220V,Ic1=20.3A,Δt1=70ns,带入上面公式可以得到:
e043-abbd691d090a718e9ada04f6123fe2b3.png
  我们用同样的方法计算Δt2部分:
  同样先找到电压和电流波形与Δt2时间标注线的四个交点:
  E(0,Vce2),F(Δt2,Vce3),G(0,Ic1),H(Δt2,Ic2)。
16e8-72acc31623e77abb1defe2889c1e93bf.png
  Δt2内的Vce表达式:
779b-42b0b9d6f9755ee93d07bfd8777c39e3.png
  Δt2内的Ic表达式:
d2be-4ab4f741dbbef20d63750fce8a202a7b.png
  Δt2内的损耗表达式及推导:
7ff4-d9acad972f8fec1aaa5f4b798ff7df22.png
  从波形中可以读出:
  Vce3=50V,Vce2=220V
  Ic1=20.3A,Ic2=29.3A Δt2=40ns,带入上面公式可以得到
406e-974eb9e8d3e44260bd3877f19b0c2ed4.png
  最后是Δt3部分:
  四个交点:
  I(0,Vce3),J(Δt3,Vce3),K(0,Ic2),L(Δt3,Ic3)。
add9-73b3909ad99cd1117280db70d0a2117a.png
  Δt3内的Vce我们取近似常数:
d3e0-feeb405e3a779d23efa60ad09734992a.png
  Δt3内的Ic表达式:
a4be-60eaa4dde964a962404c2b9c5ecbe70f.png
  Δt3内的损耗表达式及推导:
6e6a-3c56e03c4643d6542e664cad286fe07e.png
  从示波器中可以读出:Vce3=40V,Ic2=29.3A,Ic3=19A Δt3=30ns,带入上面公式可以得到
1c10-e65559445b1ef6e0c13bde118ca407a9.png
  这样把三部分算好加起来就是开通的总损耗:
0d44-b00ffcc9afda5acbca386ead4ae38498.png
  导通部分损耗计算
  IGBT导通状态下处于饱和状态,我们只需要对导通状态下的饱和电压Vce和电流Ic乘积积分就可以:
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  但是导通状态下的Vce实际是和Ic关联的,Vce会随着Ic的变化而变化,我们直接拿下面的实际测试波形来举例分析:
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  从波形上看,Ic在IGBT导通状态下是线性上升的,对应的Vce应该也是线性增加的,但是因为实际测试中Vce有高压状态的原因,我们会选择高压差分探头测试。当IGBT导通时Vce只有1-2V,这时差分探头对低压部分的测试精度就成了问题,那么我们怎么近似的计算这部分导通损耗呢?
  我们可以参考规格书中的Vce曲线:
b08b-839b308ee8db0c2e56c3b3edab4ce76b.png
  实际测试波形电流在20A左右,所以我们把20A左右的曲线单独放大取出来:
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  Vce表达式:
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  然后我们来看电流部分,首先我们在波形上取A,B两点,导通时间Δt,如下:
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  两个点坐标:A(0,Ic1),B(Δt,Ic2):
  Δt内的Ic表达式:
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  Δt内的导通损耗表达式及推导:
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  从波形中可以读出:Ic1=9.5A,Ic2=14A,Δt=14us,带入上面公式可以得到
e991-b1fea831eebedaf4730d377660f59f89.png
  注:关于Vce-Ic曲线,规格书中通常会提供常温(25度)和高温(150度或者175度)两种,为了贴近实际工作状态,建议选择高温曲线。
  开关损耗-关断部分
  先看理想的IGBT关断波形:
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  电流线性方程,分别找到电流开关波形中的两个坐标(0,Ic)和(Δt_off,0),那么电流线性方程:
d5e3-100335c6f9df5ae19dc1728388d8cc6c.png
  电压线性方程,同样找到电压波形中的两个坐标(0,0),(Δt_off,Vce),那么电压线性方程:
5552-4c75def6925c059158d27a2d5fb1bee7.png
  根据损耗计算的定义:
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  实际的关断波形:
5b90-90ea66429378f9e35f4f1ab294e58794.png
  基于上面实际关断波形的损耗计算,想给大家留个作业,计算方法可以参考开通损耗部分的计算推导过程,感兴趣的小伙伴可以试一下。
  这样损耗的计算方法介绍完了,我们对于基础高等数学知识的复习也告一段落。
源自:邱玉强,田斌 英飞凌
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