脉冲电源中IGBT_模块功耗及内部瞬时结温升研究

脉冲宽度、输出电压、输出电流、峰值功率以及脉冲重复频率是脉冲电源常用的几个重要技术指标，不同的应用场合对技术指标的要求不同。

脉冲电源在电除尘领域应用已有很长的历史。

在国外，丹麦FLSmidth 公司长期以来都将脉冲电源应用在电除尘领域。

在国内，随着超低排放标准实施，脉冲电源凭借其突出的节能提效优势在电除尘领域迅速推广，从2014年开始，该文提到的脉冲电源在国内应用已超过1 000台，广泛应用于电力、冶金以及建材等工业领域[1]。

开关器件是脉冲电源的核心器件，同时也是制约脉冲电源性能提高的瓶颈。

除尘用脉冲电源为了满足工业现场自动控制的需求，通常采用晶闸管或IGBT 等可控半导体器件作为开关。

在脉冲产生的过程中，开关器件在短时间内需要承受极大的电流；而在脉冲电源工作的间隙时间内，即2个脉冲之间，开关器件处于关断状态。

而通常脉冲电源的占空比较低，要在开关电源通流能力的可靠性与经济性之间取得平衡，就需要准确计算开关器件的发热情况，即功耗计算和
热阻计算，这样既可以保证芯片结温不超过规格书规定的上限，也可以合理对器件载流能力进行选型，避免成本增加。

1 IGBT 模块功耗计算
如果需要计算开关器件在单次脉冲输出过程中的功耗，就需要确定开关器件的电流以及其开通时间。

1.1 电路拓扑及峰值电流计算
除尘用脉冲电源主回路原理如图1所示。

左半部分是脉
冲发生单元（Pulse Unit ）
，负责产生80 kV 的负高压脉冲；右半部分是直流负高压输出单元（DC Unit ）
，产生60 kV 的基础直流负高压。

负载为电除尘器，其内部物理结构为板线式。

当计算脉冲电源参数时，可以将其简化等效为1个等效电容，其容量通常为100 nF ，该文中提到的脉冲电源的额定
负载为115 nF 。

各主器件功能分别如下：扼流圈（Choke ）
，用于抑制一次侧直流母线电压向谐振电容C p 充电的电流；
一次侧谐振电容（C p ）
，提供单次脉冲输出所需的能量；隔脉冲电源中IGBT模块功耗及内部瞬时
结温升研究
卢裕明
（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）
摘 要：绝缘栅双极晶体管（IGBT）的结温升是考察电源的重要参数，其指标直接影响系统的可靠性。

脉冲电源是一种瞬时功率大、平均功率小的特殊电源，其峰值电流远大于平均电流，在这种工作方式下，IGBT 的瞬时结温是否会超过安全值是电源参数设计的重点。

由于仿真软件中没有类似拓扑结构，因此该文通过简化模型计算了IGBT 在一个工作周期内的瞬时最大功耗和平均功耗，从而得出IGBT 模块的最高结温升数据。

关键词：脉冲电源；瞬态热阻；局部网络热路模型；结温中图分类号：TM 89 文献标志码：A
注：Pulse Unti 为脉冲发生单元；DC Unit为直流负高压输出单元；U DC 为回路中的直流额定工作电压；Choke为扼流圈；C p 为一次侧谐振
电容；Pulse Transformer为脉冲变压器 ；C block 为隔直电容；GND为接地端；L filter 为滤波电感。

图1 脉冲电源主回路原理图
U DC
Chock
Pulse Unti
DC Unit
GND
Pulse Transformer
IGBT
C p
C block
L filter
直电容（C block ）
，可以隔离直流负高压输出与脉冲发生单元；负载等效电容（C load ）代表电除尘器的电容性负载；
脉冲变压器（Pulse Transformer ）
，能够在脉冲输出过程中耦合谐振电容、隔直电容和负载等效电容，同时起到升压作用。

当脉冲发生单元工作时，首先通过Choke 单元将一次侧
谐振电容C p 充电至额定直流母线电压。

当IGBT 开通时，
C p 通过IGBT 模块与C block 、C load 以及脉冲变压器共同组成串联
谐振回路（C block 电容隔离直流负高压）。

用T 表示谐振周期，从IGBT 开通至1/2T ，谐振电流由C p 通过变压器耦合将能量传递到二次侧，为C block 和C load 充电。

从1/2T 处起，谐振电流开始反向，此时C load 两端电压达到最高，由C block 和C load 通过变压器耦合将能量传递到一次侧，为C p 充电。

在1/4T 及3/4T 处，谐振电流达到最大。

因为该文仅关注电流对开关器件的影响，所以可以在计算谐振电流的过程中对电路进行进一步简化，如图2所示。

如果将串联的输入电容（C P ）、耦合电容（C 'block ）以及电容（C 'load ）等效为总电容（C Total ）
，那么谐振周期和谐振电流如公式（1）
、公式（2）所示。

T =
（1
）p I U = （2）
式中：
T 为谐振周期；t 为输出时间；U DC 为回路中的直流额定工作电压；
L p 为脉冲变压器一次侧漏感，L p =6.883 μH ；C Total 为总电容，C Total =36.8 μH。

将L p =6.883 μH 、
C Total =36.8 μH
（1）、公式（2）可以得到T =100 μs ，I p =5780.722A 。

1.2 IGBT 模块功耗计算
除了电流和导通时间外，IGBT 模块的功耗还与器件的实际导通压降有统计学意义。

影响导通压降的因素较多，包括芯片结温、工作电流、驱动参数以及芯片制造工艺等。

该文的IGBT 采用Infineon 公司的FZ 1200R 33HE 3，这是Infineon 公司的第三代IGBT ，与第二代产品相比，其具有更低的导通压降且芯片最高允许工作结温T vj 从125 ℃升至150 ℃。

由
于谐振电流峰值较大，因此采用2个模块并联使用的方法，
流过单个模块的电流等于I P /2。

IGBT 模块驱动器采用PI （Power Integrations ）公司的1SP 0635V ，该驱动器采用SCALE-2型新品，专门针对IHMB 型封装模块设计且有专用于FZ 1200R 33HE 3的驱动配置参数，配置完后可以即插即用。

IGBT 导通时驱动器额定输出的门极电压V GE =+15 V 。

IGBT 模块内部有3组独立的IGBT 和反并联二极管，需要通过外部母排进行并联。

在前半个谐振周期内，谐振电流流过IGBT ；在后半个谐振周期内，谐振电流流过二极管。

因此，可以将IGBT 模块的功耗分为2个部分，即前半个谐振周期的IGBT 功耗和后半个谐振周期的二极管功耗，2个部分相加即为IGBT 模块的总功耗。

分析集电极-发射极的电压V CE 随电流变化曲线可知，当IGBT 模块的结温T vj =150 ℃、V CE >2.5 V 时，V CE 与集电极
的电流IC 之间近似呈线性增长的关系。

假设V CE =B ·I C +C
（B 为基极（Base ）或输入端，通常可以控制IGBT 的开关行为；C 为集电极（Collector ）或电源端，可以为IGBT 模块提供电
源电压）
，那么有公式（3）。

600 2.524005B C B C +=
+=
（3）求解得B =1/720，C =1.666 7，那么V CE 如公式（4）所示。

c
CE
1.667720I V =+ （4）式中：
I C 为直流集电极电流。

在公式（3）中，通过控制B 端的输入信号可以控制IGBT 的导通和截止，从而控制输出电路的电流流动。

通过连接到C 端，驱动器可以为IGBT 提供所需的电源电压和电流。

由于该电路工作在串联谐振方式下，内部集成的IGBT 开通时处于零电流状态，当电流转向自然关断时处于零电压状态，因此计算时可以忽略IGBT 的开通损耗和关断损耗。

脉冲电源采用间歇式工作方式，输出为一定频率的脉冲串，该频率用PPS （Pulses Per Second ，秒脉冲）表示。

IGBT 模块的功耗包括导通时间内瞬时功耗、单次脉冲平均功耗
注：L p 为脉冲变压器一次侧漏感；I p 为输入电源，该电路为典型的二阶电路，输出电流为正弦波。

图2 脉冲电源简化原理图
U DC
C p
I p
LGBT
GND
+
++
-
-
-
以及平均功耗，每种功耗又分为IGBT 功耗和二极管功耗。

IGBT 模块的瞬时功耗和单次脉冲平均功耗主要评估IGBT 模
块的散热情况，而平均功耗可以评估整个电源的散热情况。

单次脉冲IGBT 模块内IGBT 的瞬时功耗如公式（5）、公
式（6）所示。

()IGBT CE C ,0
P t V I t =≤（5）p
C
sin ,2890.3612
I I A t A ω=== （6）式中：P IGBT （t ）为IGBT 的总功率损耗；ω为角频率。

将公式（4）和公示（6）代入公式（5）求导，可以得到公式（7）。

P '
IGBT (t )=Aωcos ωt (2AB sin ωt +C )
（7）
式中：P 'IGBT （t ）为计算P IGBT （t ）最大值对公式（5）进行求导所得。

当4
T
t =时，P 'IGBT （t ）=0，此时P IGBT （t ）有最大值，代
入公式（5）可以得到公式（8）。

P IGBT (t )max =A (AB +C )=16 420.3 W （8）
在单次脉冲过程中，IGBT 模块内IGBT 的单次脉冲P IGBT （on ）
如公式（9）所示。

()2CE C 0
IGBT on d 2
T
V I t P T =
∫
（9）
式中：d t 为时间间隔的微小变化，即微分时间，在该微小时间段内的瞬时功率，通过将这个微小时间间隔趋近于零，可以得到瞬时功率在整个脉冲过程内的平均值。

求解得到公式（10）。

()2
IGBT on
8868.3W 2A B P = （10）IGBT 模块内IGBT 的平均功耗P IGBT （avg ）如公式（11）所示。

()
CE C IGBT avg 0
d ,100P PPS I t PPS =
（11）式中：
PPS 为每秒脉冲数。

求解得到公式（12）。

()IGBT avg 73.3W
P =
（12）对比实际曲线可以发现，当V CE 较低时，根据公式（4）计算的V CE 会比实际大，但是该区间内的电流较小，且工作在该区间内的时间占总开通时间的比例较小，另外还可以补偿IGBT 的开通损耗，因此根据该方法计算的功耗与实际功
耗的偏差较小。

同样，在T vj =150 ℃的条件下，当正向电压V F >2.5 V 时，
I F 与V F 近似呈线性关系。

设V F =D ·I F +E （I F 为正向电流；D 为斜率；
E 为截距），求解可以得到D =1/1 050，E =1.595 2。

同样，可以求得IGBT 模块内二极管的损耗。

二极管的瞬时
功耗P diode （t ）如公式（13）所示。

P diode (t )=A sin ωt (AD sin ωt -E )
（13）
当34
T
t =
时，P diode （t ）=0，此时P diode （t ）有最大值，代入公式（13）可以得到公式（14）。

P diode (t )max =A (AD +E )=12 567.1 W （14）在单次脉冲过程中，IGBT 模块内二极管的平均功耗P diode
（on ）如公式（15）所示。

()F F 2
diode on d 2
T
T V I t P T =
∫
（15）
求解公式（15）得到公式（16）。

(
)2diode on 6913.4W
2A D P =
（16）模块内二极管部分的总功耗P diode 如公式（17）所示。

diode F F 2
d ,100T
T P PPS V I t PPS ==∫
（17）
求解公式（17）得到公式（18）。

（18）diode
54.5W P =由此可得，在单次脉冲过程中IGBT 模块的总功耗P loss（on）=
P
IGBT（on）+P diode（on）=15 781.7 W，IGBT 模块的总功耗P loss（avg）=
P IGBT （avg）+P diode （avg）=127.8 W，在1/4周期瞬时功耗为16.4 kW。

2 IGBT 模块芯片结温升
IGBT 模块的芯片结温分为瞬态结温和稳态结温，通常
通过热阻计算其稳态结温，由于脉冲电源的工作特性，因此
注：T j 为结温；T case 为芯片壳体温度。

图3 局部网络热路模型
T j
T case
计算瞬态结温更有意义。

而IGBT 模块的瞬态热阻可以通过等效热路模型来描述，常见的等效热路模型有2种，一种是
连续网络热路模型（Continued Fraction Circuit ），该模型是根
据实际热量在器件的实际物理传导过程建立的，模块的每层均有独立的RC 单元。

该模型的优势是可以计算当每个实际物理层的温度，缺点是灵活性差，由于热耦合作用，每个物理层发生变化时都会影响其他层，因此需要重新测量参数，不便于实际应用。

另一种是局部网络热路模型（Partial
Fraction Circuit ）
，网络节点没有实际物理意义，各RC 单元系数通过实测的散热曲线推算[2]，更便于实际应用。

可以在IGBT 器件规格书中查到局部网络热路模型数据。

该模型如图3所示。

采用该模型的热阻Z thjc （t ）
、温度T j （t ）如公式（19）、公式（20）所示。

()thjc 11i
t n i i Z t r e τ−= =− ∑
（19）T j (t )=P (t )Z thjc (t )+T case (t ) （20）
式中：
r i 为网络中的内部电阻或电阻率；T i 为一个谐振周期内各个时间点；
e 为网络的热源或电势差；P （t ）为瞬时功耗；
Z thjc 为热抗阻；T case 为芯片壳体温度。

可以在器件规格书中查到对应的IGBT 模块的局部网络
模型热阻数据，具体数据见表1。

表1 IGBT 模块热阻数据
电流i
1234IGBT
电阻传导率r i /（K ·kW -1）
0.9107.050 2.3700.710时间常数τi /s 0.0040.0450.500 1.000二极管
电阻传导率r i /（K ·kW -1）
3.32511.970 2.8500.855时间常数τi /s
0.004
0.050
0.440
1.000
由于可以直接测量壳温，因此不需要再进行计算。

模块
中IGBT 的结温相对壳温的温升如公式（21）所示。

ΔT (t )=T jIGBT (t )-T case (t )=
r e A t AB t C t T i t i n
i
1021 §©¨¨·¹
¸¸ d d ¦W Z Z sin sin , （21）
式中：
T jIGBT 为稳态结温。

模块中二极管的结温相对壳温的温升如公式（22）所示。

'
§©¨¨·¹
¸¸ T t T t T t r e A t AB t E i t
i
jdiode case 1W Z Z sin sin d d ¦,T
t T i n
21 （22）
式中：
T jdiode 为二极管稳态结温。

1个谐振周期内各时间点的芯片相对壳温的温升如公式（23）、公式（24）所示。

0.16,0.1742T T T T
∆∆ ℃℃ （23）()30.34,0.374
T T T T ∆=∆=
℃℃
（24）
通过计算结果可以发现，尽管IGBT 模块内部的IGBT 功耗比二极管更高，但是其热阻更低，最终IGBT 温升比二极管更低。

3 温升试验
对脉冲电源在达到额定输出情况下进行温升试验，即母线电压为2 500 V ，谐振周期为100 μs ，总谐振电流峰值为5 780 A ，单个IGBT 模块电流峰值为2 890 A 。

测试时测温元件采用四线制PT 100铂热电阻，测温仪器采用KEYSIGHT 公司的34970A 。

由于脉冲电源工作时会产生强电磁干扰，因此铂热电阻引出线采用屏蔽双绞线，尽量避开主回路。

另外，脉冲电源峰值电流较大，会导致接地电位浮动，测温仪器的供电与脉冲电源供电需要隔离，以免损坏仪器。

为了准确测量IGBT 模块壳温，在散热器中心底部位置开个小孔，将测温元件直接粘贴在IGBT 模块基板上。

整个脉冲电源系统热容量较大，达到热平衡时间较长，最终温度测量数据见表2。

表2 IGBT 模块工作温度数据
环境温度/℃
IGBT模块壳温/℃
散热片基板温度/℃
35.6
91.3
90.2
4 结语
热仿真和热计算是电源设计的重要环节之一。

一些常见的拓扑结构可以通过IGBT 厂家提供的仿真软件来计算功耗和结温，例如Infineon 公司的IPOSIM 和Semikron 公司的SemiSel 等，将主要参数输入后就可以得到详细的仿真计算结果。

该文采用的拓扑结构比较特殊，仿真软件中没有对应的模型，通过示波器高压探头直接测量，IGBT 的导通压降误差较大，因此选择通过查看器件规格书中的曲线，利用简化模型进行计算。

经过计算可以发现，针对该文选择的主回路参数，尽管脉冲电源瞬时功耗较大，但是持续时间短且热阻小，并未产生较大的瞬时温升。

一方面，对IGBT 模块来说，只要能将其散热片温度控制在安全范围内，就不太可能因结温过高而导致损坏。

另一方面，对IGBT 散热片也提出了相应的要求，其热阻需要足够低，避免因散热片的散热能力不足而导致IGBT 壳温过高。

参考文献
[1]王莹，孙元章，阮江军，等.脉冲功率科学与技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.[2]YUE W，XIANG R，CHAO X Y， et al.Multi-physics coupling analysis of high-power IGBT module bonding wires fault considering stray inductance of main circuit[J]. Microelectronics reliability，2023，2（11）：149-150.。