IGBT结温的近似计算方法及应用

李岩磊，杨 宁，马颖涛

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081)

IGBT结温的近似计算方法及应用

李岩磊，杨 宁，马颖涛

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081)

描述了IGBT的结构及散热原理。介绍了一种IGBT结温近似计算方法，将IGBT的导通损耗和开关损耗的计算大大简化，使结温的计算变得简便易行。通过应用实例验证了近似计算方法的可行性和准确性。

IGBT结构;IGBT散热原理;结温的近似算法;结温近似算法的应用

由于可控性好、易于使用以及功率等级高等优点，IGBT(绝缘栅双极型晶体管)作为半导体器件已经在许多电力电子应用中得到广泛地使用。在机车车辆中的许多电力电子设备比如牵引变流器、辅助变流器和充电机等也选用IGBT作为半导体器件，在这类应用中，车载变流器工作环境比较恶劣，因为安装空间的限制，对于发热部件尤其是IGBT这类半导体功率器件的散热提出了很大挑战，如果散热不好，导致IGBT的P－N结的结温超过规定的限值，使IGBT失效率升高，甚至会导致IGBT直接炸裂，导致严重事故。所以要及时监控IGBT的结温，以便做好保护措施，防止事故的发生。

在实际应用中IGBT的结温是无法直接测量的，只能通过一些外部参数和IGBT的结构特点来推算结温，由于IGBT的物理模型很复杂，很难精确地计算它的损耗和结温，本文提供一种IGBT结温的近似计算方法，能够根据一些易于测量的外部参数，通过一系列计算近似推导得出IGBT的结温。

1 IGBT结构及散热简介

1.1 IGBT结构

IGBT模块的结构比较复杂，主要由芯片、绑定线、陶瓷基片、焊接层和铜底板组成，结构简图如图1所示。其中主要的发热部分是芯片，在IGBT工作时，在电压和电流的作用下，芯片中的P－N节上会产生损耗发热，这些热量通过IGBT模块的其他组成部分层层传导到铜底板上，最后通过外加的散热器散发掉，为了保证散热器与IGBT底板充分接触，在他们之间要涂抹导热硅脂。

图1 IGBT结构简图

1.2 IGBT散热原理［3］

IGBT芯片PN结上产生的热量可以看做是通过3个环节散发掉的，这3个环节为芯片—外壳、外壳—散热器和散热器—环境，如图2所示，每个环节都有热阻，芯片—外壳热阻定义为Rthjc，外壳—散热器热阻定义为Rthch，散热器—环境热阻定义为Rthha，损耗发热经过每个环节的散热都会产生温差，在图2中可以清楚地看到对于几个温差的定义。根据热力学公式，温差等于损耗功率P与热阻Rth的乘积，对于芯片—外壳之间的温差(ΔTjc)，可由式(1)来表示。

图2 IGBT散热原理图

由此可推出芯片结温(Tj):

同理对于外壳—散热器之间的温差(ΔTch)，可由式(3)来表示。

由此可推出IGBT外壳的温度(Tc):

将式(4)代入式(2)可得出结温和散热器温度(Th)的关系:

同样地，散热器—环境温差(ΔTha)，可由式(6)来表示，这里的功率损耗Ptot表示IGBT模块的总损耗。

由此可推出散热器的温度(Th):

将式(7)代入式(5)可得出结温和环境温度的关系:

在式(8)中，损耗P是要重点进行推算的，在下面会做详细介绍。

2 IGBT模块损耗计算

IGBT模块中包含IGBT芯片和续流二极管芯片，由于工作原理不同，并且结构上也有差异，计算损耗时需要对这两种芯片分别计算。

2.1 IGBT芯片损耗计算

IGBT芯片并不是理想的开关，在导通时由于饱和压降会产生导通损耗，在开通和关断时会产生开关损耗，这两种损耗构成了IGBT芯片的总损耗。

(1)IGBT芯片导通损耗

在IGBT芯片导通时，流过芯片的电流Ic急剧上升，集电极和发射极间电压Vce急剧下降直到饱和，这时因为芯片内阻的存在，饱和压降Vcesat并不为零，通常为几个伏特，由于电流Ic和饱和压降Vcesat的同时存在，就产生了导通损耗。导通过程中电流Ic和饱和压降Vcesat曲线比较复杂，无法用公式准确表达，在这里可以做一个近似处理，将电流Ic看做是线性的，对最终的计算不会产生很大影响。

IGBT的数据手册会给出Ic=f(Vce)的曲线，见图3。从图中可以看出随着Ic的增大，特性曲线越接近直线，因为我们考虑的重点是IGBT在大电流下工作时的结温，所以可以对特性曲线做个近似处理，如图3所示，可以得出式(9)所表示的直线。需要注意的是，数据手册中通常会给出低结温 Tvj=25℃ 和高结温 Tvj= 1 25℃(或150℃)时的Ic=f(Vce)的曲线，从图3可以看出，在同样的电流Ic下，高结温对应的饱和压降Vce比低结温的要大，为了使近似计算结果有足够的安全裕量，一般选取高结温对应的曲线做近似处理。

图3 IGBT芯片的Ic=f(Vce)近似处理

下面以三相逆变器为例来介绍损耗的计算。三相逆变器的电路结构图和相关电压与电流的波形见图4。输入电压Vdc和输出电流Ic的值是被实时测量的，Ic为逆变器输出电流，也就是IGBT集电极上的电流。在公式中电流Ic用瞬时值ic来表示。

图4 三相逆变器电路结构图

在三相逆变器中，每个IGBT模块在一个正弦波周期内只工作半个周期，所以式(10)的t1－t2确定为0－，这样一个周期内的损耗可以用式(12)来表示。

将式(10)和(11)代入公式(12)，可以得出式(13)，其中τ(t)为占空比。

由于在IGBT导通期间，IGBT芯片只是工作部分时间，剩下的时间由二极管芯片来续流。IGBT芯片导通的占空比τ(t)用式(14)来表示。其中m为调制系数，φ为相位角。

由式(13)和(14)可以推导得出IGBT导通损耗的完整公式(15)。

(2)IGBT芯片开关损耗

由于不是理想开关，在IGBT芯片开通和关断的瞬间，电压和电流总会有重叠区，所以会产生开通损耗和关断损耗，见图5和图6。因为开通和关断过程过于复杂，很难用公式准确地表述出来，所以使用近似算法是很有必要的。

图5 IGBT开通过程

图6 IGBT关断过程

在IGBT的数据手册中会给出在标称电压Vnom下IGBT芯片上产生的开通能量Eon和关断能量Eoff与集电极电流Ic的Eon=f(Ic)和Eoff=f(Ic)关系曲线，见图7，从这些曲线上可以读出标称电流 Inom对应的 Eon，nom(Inom，Vnom)和 Eoff，nom(Inom，Vnom)，在三相逆变器输入电压Vdc与标称电压Vnom近似并且工作条件与标称条件相近(±20%)的情况下，可以认为Eon和Eoff与Ic和Vdc近似成比例关系，由此，开关能量可以用公式(16)表示出来。

图7 Eon=f(Ic)和Eoff=f(Ic)关系曲线

一个正弦波周期内的开关损耗可以用式(17)表示。

在式(17)中，n表示开关频率fSW与基波频率的倍数关系。由式(16)和式(17)可以进一步推导出开关损耗的最终表达式，见式(18)。

将IGBT芯片的导通损耗和开通损耗相加即可得到IGBT芯片的总损耗，见式(19)。

2.2 二极管芯片损耗计算

(1)二极管芯片导通损耗

和IGBT芯片类似，反并联的二极管芯片也不是理想的开关，在IGBT关断时，电流通过二极管续流，在二极管芯片正向导通时，其上会产生正向导通电压VF，由此产生了导通损耗。

二极管芯片导通损耗的计算方法与IGBT芯片导通损耗类似，需要注意的是，在一个开关周期内，二极管芯片的工作时间与IGBT芯片正好相反，所以其占空比的表达式要相应地改变，如式(20)所示。

IGBT的数据手册会给出二极管的IF=f(VF)曲线，该曲线经线性化处理后可用式(21)表示，近似化的曲线见图8。由于二极管是起续流作用的，所以IF=Ic，在公式中直接用瞬时值ic代替iF。

二极管芯片导通损耗可以用式(22)表示。

将式(11)、式(20)和式(21)代入式(22)，可最终得出二极管芯片导通损耗的表达式(23)

图8 二极管芯片的IF=f(VF)近似处理

(2)二极管芯片开关损耗

在二极管反向恢复的时候，也就是由正向导通转为反向阻断的瞬间，二极管芯片上会通过反向电流，然后再恢复为反向阻断状态，在这个过程中有反向恢复能耗Erec，造成开关损耗。

和IGBT芯片的开关损耗一样，在IGBT数据手册中会给出Erec=f(IF)曲线。在工作条件与标称条件相近的情况下可以认为标称开关损耗Erec，nom与IF和Vdc近似成比例关系，和IGBT芯片的开关损耗推导方法类似，可以得出式(24)。

所以由式(24)和式(25)可得出二极管芯片开关损耗的最终表达式，见式(26)。

但是需要注意的是，经过修正的式(25)能更准确地表示出开关损耗Erec和电流IF的关系。

将IGBT芯片的导通损耗和开通损耗相加即可得到二极管芯片的总损耗，见式(27)。

3 IGBT模块结温计算

当计算得出了IGBT芯片和二极管芯片的损耗之后，就可以计算得到 IGBT模块的总损耗 Ptot，见式(28)，在知道散热器热阻Rthha环境温度Ta的情况下通过式(7)可以得到散热器的温度Th，然后根据散热器温度和各部分的热阻值就可以计算得出IGBT芯片Tj，IGBT和二极管芯片Tj，Diode的结温，具体算式见式(29)和式(30)。

4 应用

下面使用本文论述的近似算法来计算一个城轨逆变器的IGBT结温，在实际应用中，有一种城轨的三相逆变器选用英飞凌的IGBT，型号为FZ1600R17HP4_ B2［4］。近似计算所需要的IGBT参数可以从该型号的数据手册查到或依照上文介绍的方法推算出来。

将相应IGBT参数和逆变器参数代入式(15)～式(30)中，就可以计算得出IGBT芯片结温和二极管芯片结温。同时使用英飞凌公司的IPOSIM软件对本实例进行仿真，将仿真得出的结果与近似计算的结果进行对比，可以发现这两种方法得到的IGBT芯片结温和二极管芯片结温偏差很小。

因此可以认为在一定条件下，近似计算的方法是可行的，能够比较准确地计算出IGBT芯片和二极管芯片的结温。

5 结 论

在实际应用中，有时需要实时掌握IGBT模块结温的变化，由于结温难以测量，所以通常的做法是根据IGBT模块物理结构建立复杂的模型，再计算得到结温，鉴于IGBT模块结构的复杂性，计算公式一般都比较复杂，计算量偏大，这就加大了控制处理器的负荷，计算速度下降，导致无法及时地获得结温。本文所介绍的这种近似计算结温的方法简单易行，计算量小，一般能够满足实际应用要求。

［1］ Applying IGBTs［Z］.ABB Switzerland Ltd，Semiconductors.Sep 2013.

［2］ Calculation of major IGBT operating parameters［Z］.Infineon Ltd.Aug 1999.

［3］ 梁知宏.IGBT模块的损耗、温度和安全运行［Z］.2007.

［4］ FZ1600R17HP4_B2数据手册［Z］.Infineon Ltd.Jan 2010.

A Method of The Approximate Calculation of Junction Temperature of IGBT and Its Application

LI Yanlei，YANG Ning，MA Yingtao
(China Academy of Railway Science，Locomotive and Car Research Institute，Beijing 100081)

Described the structure and the power dissipation mechanism of IGBT.Presented a method of the approximate calculation of junction temperature，it made the calculation of the IGBT conduction losses and the switching losses simplified greatly，and made the calculation of junction temperature simple and easy.Furthermore，verified the feasibility and the accuracy of the approximate calculation through a application case.

the structure of IGBT;the power dissipation mechanism of IGBT;the approximate calculation of junction temperature;the application of the approximate calculation of junction temperature

U264.3+7

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.09

1008－7842(2015)02－0036－05

6—)男，助理研究员(

2015－02－15)