精确计算IGBT 模块损耗的方法

概述

IGBT模块损耗打算对电力电子系统设计至关主要，对损耗的打算紧张通过两种路子，一是通过建立电气模型进行系统仿真；其余一种则是根据器件的关键参数，通过数学方法推导损耗公式来打算。
通过器件模型仿真的方法须要有器件的电气模型，而每每厂家并不会全部供应器件的电气仿真模型，而且耗时耗力。
数学方法打算每每会对器件模型进行简化，因而导致打算结果不准确。
本文阐述了一种依据规格书中的特色曲线来准确打算IGBT损耗的方法。
该方法通过拟合包括Vce，Vf 等与损耗干系的曲线，获取描述这些曲线的参数方程，同时引入结温变革对特色曲线的影响。
然后，结合参数方程，并依据于这些曲线的丈量条件来打算准确IGBT的损耗。

基本打算公式

常日的，IGBT 模块损耗包括IGBT 损耗（）和DIODE 损耗（）两部分。
IGBT 损耗包括通态损耗（）和开关损耗开通（）。
开关损耗由开通损耗（）和关断损耗（）组成。
DIODE 损耗包括通态损耗（）和反向规复损耗（）。
通态损耗的产生是由于电流正向流经IGBT 或者DIODE 会在芯片上产生一定的压降，损耗便是正向电流和器件两端的正向压降的乘积；开关损耗和反向规复损耗则是跟开关过程中的直流电压和开关电流有关。

图 1 IGBT模块损耗构成

IGBT模块流过电流，产生一定的压降以及功率损耗，损耗打算公式便是压降和电流的乘积，如下式：

上式中，为()的函数（这里采取IGBT损耗打算来做解释，二极管类似），一样平常的，在规格书中可以找到二者的关系曲线，并可以看出是一种非线性关系。
我们须要通过公式对该曲线进行描述才能进一步打算损耗。
如果用线性方程来描述该曲线则会产生一定的偏差。
特殊是打算电流小于额定电流点的时候，打算偏差可能会比较大。
而通过高次多项式则可以较为准确的拟合该曲线，可以很好的肃清打算偏差，得到一个准确的参数模型。
下图为采取该公式拟合的曲线，可以看出和原曲线完美重合，效果非常好。

根据上式可以得到通态损耗的打算公式如下：

均匀功率损耗则可以通过对一个工频周期积分求均值得到：

开关损耗并不是一个连续的量，对付每次开关，可以将损耗均匀到全体开关周期。
这样便可以得到近似连续的开关损耗的电流函数。
开关损耗的大小除了跟开关电流有关，也受到直流电压的影响。
因此可以得到开关损耗打算公式如下：

在规格书上可以找到电流对应开关损耗的关系曲线，我们采取高次多项式来描述同样可以得到如下的准确的损耗表达办法。
开关损耗的线性拟合效果如下图所示。

将上面的多项式带入开关损耗打算公式，下式为关损耗和反向规复损耗的打算公式。

温度的影响

我们知道，在不同结温的时候，IGBT和DIODE的通态压降是不一样的。
从上面图2中可以看出，结温在25℃和结温在125℃的时候，通态压降曲线相差挺大。
传统的打算是在终极损耗的结果中加入一个履历值的改动因子。
这样打算一定会引起一定的打算偏差，因此我们须要在拟合公式中引入结温对通态压降的动态影响，如下式。

个中系数k_a和k_b是常系数，不同的器件数值会有不同，可以根据参数曲线中实际数值求得。
下面两张图片分别为IGBT和DIODE的输出特色曲线运用该改动公式的实际改动结果。
从图中可以看出，该公式可以很好的描述温度对通态压降的影响。

图4，对IGBT转移特性曲线的拟合和温度影响的改动结果比拟

图5，对DIODE转移特性曲线的拟合和温度影响的改动结果比拟

不仅仅通态压降受到结温的影响。
开关损耗同样在不同结温条件下损耗也不同，结温变高开关损耗也会相应的增加。
虽然厂家一样平常都会供应结温在125℃时的损耗，但是如果我们要追求更加精确的打算值，那就必须引入温度变量的影响，厥后果如下图6所示。

图6，关断损耗特性曲线的拟合和温度影响的改动结果比拟

同时，由于结温变革对损耗的影响是一个反馈过程，因此在打算过程中也须要进行多次反馈迭代打算，直到稳态。

系统打算

IGBT模块在系统中是通过PWM调制办法来利用的，也便是说器件中的电流是脉冲形式的。
那么该如何打算在PWM调制情形下的损耗呢。
如下图所示，为在调制模式下通过IGBT和二极管中的电流和分别的占空比（高脉冲代表IGBT导通，电流经由IGBT，低脉冲代表二极管导通，电流经由二极管）。
考虑到输出端电感滤波器，电流一样平常是靠近于正弦的。
这样就可以得到每个开关时候的开关损耗值。
同样也可以得到导通损耗，但是由于IGBT和二极管是交替导通，这里须要考虑他们的占空比,也便是电流在开关管和续流管之间的分布。

图 7，IGBT调制波和电流

我们知道，这里的占空比实在是由载波波形，通过三角波调制得到的，如下图 8。
因此，可以得到如下占空比打算公式。

D=(sin(phi)+1)/2

图 7，两电平双极性PWM调制波形和电压电流（玄色线：电压；赤色线：电流）

这样在打算导通损耗的时候引入占空比就可以得到下面的打算公式。
对付对应的续流器件，占空比则是（1-D）。

这样我们就得到了基本的打算公式，下面就须要考虑在拓扑构造中器件是如何事情，损耗是如何打算的。

对付两电平拓扑，打算损耗统共有两种模式：

1，上管IGBT导通电流，下管二极管续流，电流流出；

2，下管IGBT导通电流，上管二极管续流，电流流入，如下图：

图 8，两电平开关以及电流路径模式

因此，当我们考虑打算上管IGBT损耗的时候，须要考虑到，上管IGBT只在区间（，+）之间有损耗发生。
考虑到占空比以及上面的打算公式，我们可以得到上管IGBT导通损耗的打算公式如下：

以及同理，下管IGBT的导通损耗公式：

将上面的公式高次公式简化成一次线性函数并进行积分求均匀，即可得到常常能看到的IGBT损耗的打算公式：

我们前面已经提到引入温度的影响，因此须要在上述公式中带入温度对通态压降的影响系数，得到公式如下（以上管IGBT为例）：

此外，k_b，k_a为温度对正向压降影响的系数。

同理对付关断损耗，也可以得到引入温度影响的损耗打算公式如下：

k_b，k_a为温度对正向压降影响的系数。

须要把稳的是，/ 实际上，该比值每每不是大略的单位比例关系，且该值也对打算结果有着较大的影响。

二极管的损耗打算过程和方法类似，此处不再列出。

三电平系统的打算过程和方法也类似，只不过每个器件的事情周期不同，而且占空比的打算办法也有差异。
但是事理相同，这里就不再详细推导列出。

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