今天給大家分享的是：IGBT的損耗與結溫計算。

與大多數功率半導體相比，IGBT 通常需要更復雜的一組計算來確定芯片溫度。這是因為大多數 IGBT 都采用一體式封裝，同一封裝中同時包含 IGBT 和二極管芯片。為了知道每個芯片的溫度，有必要知道每個芯片的功耗、頻率、θ 和交互作用系數。還需要知道每個器件的 θ 及其交互作用的 psi 值。

這里將主要介紹一下：如何測量功率計算二極管和IGBT芯片的溫升。

一、損耗組成部分

根據電路拓撲和工作條件，兩個芯片之間的功率損耗可能會有很大差異。IGBT 的損耗可以分解為導通損耗和開關（開通和關斷）損耗，而二極管損耗包括導通和關斷損耗。準確測量這些損耗通常需要使用示波器，通過電壓和電流探針監視器件運行期間的波形。測量能量需要用到數學函數。

確定一個開關周期的總能量后，將其除以開關周期時間便可得到功耗。

TO?247 封裝，顯示了 IGBT 芯片（左）和二極管芯片（右）

二、IGBT開通

IGBT 開通損耗波形

將開通波形的電壓和電流相乘，即可計算出該周期的功率。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。

功率測量開始和結束的時間點可以任意選擇，但是一旦選定了一組標準，測量就應始終遵循這些標準。

二、IGBT導通損耗

IGBT 傳導損耗波形

導通損耗發生在開通損耗區和關斷損耗區之間。同樣應使用積分，因為該周期內的功率并不是恒定的。

三、IGBT關斷

IGBT 關斷損耗波形

開通、導通和關斷損耗構成了 IGBT 芯片損耗的總和。關斷狀態損耗可以忽略不計，不需要計算。為了計算 IGBT 的總功率損耗，須將這三個能量之和乘以開關頻率。

IGBT 的總功率損耗

IGBT 損耗必須使用阻性負載或在負載消耗功率的部分周期內進行測量。這樣可消除二極管導通。

二極管導通損耗波形

四、FWD反向恢復

二極管反向恢復波形

上面2個圖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。二極管損耗的計算類似于 IGBT 損耗。

二極管損耗

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。

五、IGBT 和二極管功耗計算

測量完這五個損耗分量后，需要將它們與測量條件相關聯，以便計算每個芯片的總功耗。

感性負載波形

上圖顯示了感性負載（如電機）的典型電壓和電流波形。

• 從 t0 到 t1，電流為電抗性，二極管傳導電流。

• 從 t1 到 t2，電流為阻性，IGBT 傳導電流。

這些時間段的功耗具有重要價值。基于單個脈沖計算每個時間段的平均功耗非常復雜，但我們可以合理的精度進行估算。為此，我們需要計算該時間段的平均功耗。

在這種情況下，有必要計算平均（或加熱）當量。對于電壓和電流值，它是均方根值；對于功率，它是平均值。

六、平均功耗

平均功耗公式

此公式計算的是正弦波每個四分之一部分的功率，因此要進行校正，我們需要在分母中添加一個因子 4。只要電壓過零點在 0° 和 90°之間（對于感性負載必定如此），這就是有效的，故公式變為：

平均功耗公式

七、二極管

二極管在 t0 到 t1 期間傳導電流。利用電壓過零點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求得二極管的平均功耗。

此時間段的示例計算如下所示。

• PDIODEpk = 50 W（在電壓過零點）

• T = 20 ms（50 Hz 正弦波）

• t0 =0

• t1 = 2.5 ms

2 W 功率出現在進入周期后的 2.5 ms 時。要計算正弦波峰值處的等效功率，我們需要比較這兩點的幅度。

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

IGBT正弦波峰值處的功率

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

• PIGBTpk = 95W

• T = 20 ms（50 Hz 正弦波）

• T1 = 2.5 ms

• T2 = 10 ms (T/2)

對于 IGBT 分析，我們將計算完整半正弦波期間 (t0 – t2) 的 IGBT 功耗，然后計算二極管導通期間 (t0 – t1) 的 IGBT 功耗，再從前一功耗中減去后一功耗。

IGBT 功耗半正弦波期間 (t0 – t2)

然后計算二極管導通期間的功耗：

二極管導通期間的功耗

由于 t2 = T/2，故公式變為：

IGBT功耗計算

八、芯片溫度計算

一旦計算出兩個芯片的功耗值，就可以使用數據表中的曲線計算芯片溫度。兩個芯片的溫度一般不相同。每個芯片有一個 θ，并有一個交互作用系數 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 是結至外殼熱阻。Psi 是一個常數，表示芯片中未被計算的熱效應。它基于芯片之間的距離。

通常，對于 IGBT 使用的大多數 TO-247 和 TO-220 封裝，0.15°C/W 是一個合理的估計值。

IGBT 熱曲線

二極管熱曲線

上面2圖顯示了典型封裝中 IGBT 和二極管的熱響應曲線。曲線上給出了直流值。對于 IGBT，它是 0.486°C/W；對于二極管，它是 1.06°C/W。

為了計算給定功率水平對應的穩態溫度，只需要功耗值、直流 θ 和外殼溫度。計算如下：

給定功率水平對應的穩態溫度

示例：

• TC = 70°C

• RΘJC-IGBT = 0.486°C/W

• RΘJC-diode = 1.06°C/W

• PD-IGBT = 54.84 W

• PD-DIODE = 6.60 W

• 交互作用系數 Psi = 0.15°C/W

IGBT 的穩態結溫為：

IGBT 的穩態結溫

TJ-IGBT = 97.6°C（平均結溫）

二極管的穩態結溫為：

二極管的穩態結溫

TJ-DIODE = 85.2°C（平均結溫）

為了計算峰值結溫，我們可以將脈沖值增加到穩態（或平均）溫度中。此計算需要上述計算得出的結溫，并加上瞬時溫度變化。

唯一需要的新常數是 IGBT 或二極管對于所需脈沖寬度的脈沖值。在 50 Hz 的線頻率下，半周期的時間為 10 ms。根據圖 8，對于 10 ms 脈沖和 50% 占空比，RIGBT 值為 0.375°C/W；根據上圖，相同條件下的 RDIODE 值為 0.95°C/W。

基本公式如下：

峰值結溫計算公式

因此，對于上述條件，峰值結溫為：

IGBT峰值結溫

= 120°C（峰值結溫）

二極管峰值結溫

= 91°C（峰值結溫）

九、總結

僅使用 θ 值無法計算多芯片封裝中的結溫。利用從數字示波器獲得的波形和數學公式，可以計算每個器件的功耗。給定 IGBT 的功耗、θ 和 psi，便可計算平均和峰值結溫值。