干货 | 一文搞懂IGBT的损耗与结温计算图文结合+计算公式步骤_功耗_峰值

与大多数功率半导体比较，IGBT 常日须要更繁芜的一组打算来确定芯片温度。
这是由于大多数 IGBT 都采取一体式封装，同一封装中同时包含 IGBT 和二极管芯片。
为了知道每个芯片的温度，有必要知道每个芯片的功耗、频率、θ 和交互浸染系数。
还须要知道每个器件的 θ 及其交互浸染的 psi 值。

这里将紧张先容一下：如何丈量功率打算二极管和IGBT芯片的温升。

根据电路拓扑和事情条件，两个芯片之间的功率损耗可能会有很大差异。
IGBT 的损耗可以分解为导通损耗和开关（开通和关断）损耗，而二极管损耗包括导通和关断损耗。
准确丈量这些损耗常日须要利用示波器，通过电压和电流探针监视器件运行期间的波形。
丈量能量须要用到数学函数。

确定一个开关周期的总能量后，将其除以开关周期韶光便可得到功耗。

TO−247 封装，显示了 IGBT 芯片（左）和二极管芯片（右）

IGBT 开通损耗波形

将开通波形的电压和电流相乘，即可打算出该周期的功率。
功率波形的积分显示在屏幕底部。
这就得出了 IGBT 开通损耗的能量。

功率丈量开始和结束的韶光点可以任意选择，但是一旦选定了一组标准，丈量就应始终遵照这些标准。

IGBT 传导损耗波形

导通损耗发生在开通损耗区和关断损耗区之间。
同样应利用积分，由于该周期内的功率并不是恒定的。

IGBT 关断损耗波形

开通、导通和关断损耗构成了 IGBT 芯片损耗的总和。
关断状态损耗可以忽略不计，不须要打算。
为了打算 IGBT 的总功率损耗，须将这三个能量之和乘以开关频率。

IGBT 的总功率损耗

IGBT 损耗必须利用阻性负载或在负载花费功率的部分周期内进行丈量。
这样可肃清二极管导通。

二极管导通损耗波形

四、FWD反向规复

二极管反向规复波形

上面2个图示了二极管在整流器或电抗模式下事情期间的电流和电压波形。
二极管损耗的打算类似于 IGBT 损耗。

二极管损耗

须要理解的是，损耗以半正弦波变革。
须要考虑从峰值到过零的变革，以得出器件的均匀功耗。

丈量完这五个损耗分量后，须要将它们与丈量条件干系联，以便打算每个芯片的总功耗。

感性负载波形

上图显示了感性负载（如电机）的范例电压和电流波形。

这些韶光段的功耗具有主要代价。
基于单个脉冲打算每个韶光段的均匀功耗非常繁芜，但我们可以合理的精度进行估算。
为此，我们须要打算该韶光段的均匀功耗。

在这种情形下，有必要打算均匀（或加热）当量。
对付电压和电流值，它是均方根值；对付功率，它是均匀值。

均匀功耗公式

此公式打算的是正弦波每个四分之一部分的功率，因此要进行校正，我们须要在分母中添加一个因子 4。
只要电压过零点在 0° 和 90°之间（对付感性负载必定如此），这便是有效的，故公式变为：

均匀功耗公式

二极管在 t0 到 t1 期间传导电流。
利用电压过零点的波形可得出二极管的峰值功耗。
知道此功耗值后，我们可以利用 t0 到 t1 期间的均匀功耗公式来求得二极管的均匀功耗。

此韶光段的示例打算如下所示。

2 W 功率涌如今进入周期后的 2.5 ms 时。
要打算正弦波峰值处的等效功率，我们须要比较这两点的幅度。

峰值幅度涌如今 90° 或 π/2 弧度处，相称于幅度 1。
2.5 ms 处的幅度为 sin(π × 2.5 ms/10 ms) 或 0.707，因此正弦波峰值处的功率为：

IGBT正弦波峰值处的功率

对付正电压半周期，IGBT 在 t1 到 t2 期间传导电流。
IGBT 的均匀功耗打算与二极管功耗的打算方法类似。
其示例打算如下所示。

对付 IGBT 剖析，我们将打算完全半正弦波期间 (t0 – t2) 的 IGBT 功耗，然后打算二极管导通期间 (t0 – t1) 的 IGBT 功耗，再从前一功耗中减去后一功耗。

IGBT 功耗半正弦波期间 (t0 – t2)

然后打算二极管导通期间的功耗：

二极管导通期间的功耗

由于 t2 = T/2，故公式变为：

IGBT功耗打算

一旦打算出两个芯片的功耗值，就可以利用数据表中的曲线打算芯片温度。
两个芯片的温度一样平常不相同。
每个芯片有一个 θ，并有一个交互浸染系数 Psi。

θ 是从芯片到封装外壳或引线的热阻，它有不同的名称，例如 RΘJC 是结至外壳热阻。
Psi 是一个常数，表示芯片中未被打算的热效应。
它基于芯片之间的间隔。

常日，对付 IGBT 利用的大多数 TO-247 和 TO-220 封装，0.15°C/W 是一个合理的估计值。

IGBT 热曲线

二极管热曲线

上面2图显示了范例封装中 IGBT 和二极管的热相应曲线。
曲线上给出了直流值。
对付 IGBT，它是 0.486°C/W；对付二极管，它是 1.06°C/W。

为了打算给定功率水平对应的稳态温度，只须要功耗值、直流 θ 和外壳温度。
打算如下：

给定功率水平对应的稳态温度

示例：

IGBT 的稳态结温为：

IGBT 的稳态结温

TJ-IGBT = 97.6°C（均匀结温）

二极管的稳态结温为：

二极管的稳态结温

TJ-DIODE = 85.2°C（均匀结温）

为了打算峰值结温，我们可以将脉冲值增加到稳态（或均匀）温度中。
此打算须要上述打算得出的结温，并加上瞬时温度变革。

唯一须要的新常数是 IGBT 或二极管对付所需脉冲宽度的脉冲值。
在 50 Hz 的线频率下，半周期的韶光为 10 ms。
根据图 8，对付 10 ms 脉冲和 50% 占空比，RIGBT 值为 0.375°C/W；根据上图，相同条件下的 RDIODE 值为 0.95°C/W。

基本公式如下：

峰值结温打算公式

因此，对付上述条件，峰值结温为：

IGBT峰值结温

= 120°C（峰值结温）

二极管峰值结温

= 91°C（峰值结温）

仅利用 θ 值无法计算多芯片封装中的结温。
利用从数字示波器得到的波形和数学公式，可以打算每个器件的功耗。
给定 IGBT 的功耗、θ 和 psi，便可打算均匀和峰值结温值。

以上便是关于过温保护电路的内容，希望大家能够点赞、分享、收藏，如有问题或者建议，欢迎在评论区留言。