变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计
IGBT模块的损耗特性
IGBT模块的损耗特性
IGBT元件的损耗总和分为：通态损耗与开关损耗。
开关损耗分别为开通损耗(EON)和关断损耗(EOFF)之和。
另外，内置续流二极管的损耗为导通损耗与关断（反向恢复）损耗(ERR)之和。
EON、EOFF、ERR与开关频率的乘积为平均损耗。
IGBT的损耗：
续流二极管的反向恢复损耗：
反向恢复损耗 ERR
开关特性的测试：
PDMB100B12开通损耗EON测量范例：
PDMB100B12关断损耗EOFF测量范例：
1200V B系列开通损耗 EON （Tj= 125℃），有关门极系列阻抗RG请参阅技术规格。
1200V B系列关断损耗 Eoff (Tj=125C)，有关门极系列阻抗RG请参阅技术规格。
m
1200V B系列续流二极管反向恢复损耗 ERR（Tj= 125℃），有关门极系列阻抗RG请参阅技术规格。
1200V B系列ERR对门极串联电阻RG依存性（Tj= 125℃）。
变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计
变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计一、本文概述随着电力电子技术的快速发展，变频器作为电能转换与控制的核心设备，在工业自动化、新能源发电、电动汽车等领域得到了广泛应用。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为变频器的关键功率器件，其性能直接影响到变频器的效率和可靠性。
IGBT模块的损耗计算和散热系统设计是变频器设计中的重要环节，对于提高变频器性能、降低运行成本、延长设备寿命具有重要意义。
本文旨在探讨变频器中IGBT模块的损耗计算方法和散热系统设计原则。
我们将分析IGBT模块的工作原理和损耗产生机制，包括通态损耗、开关损耗等。
在此基础上，我们将介绍损耗计算的数学模型和计算方法，以及如何通过实验手段验证计算结果的准确性。
我们将重点讨论散热系统的设计原则和优化方法，包括散热器结构设计、散热风扇的选择与控制、散热系统的热仿真分析等。
本文将总结一些实际应用中的经验教训，提出针对IGBT模块损耗计算和散热系统设计的优化建议，为变频器设计工程师提供有益的参考。
通过本文的研究，我们期望能够为变频器设计中的IGBT模块损耗计算和散热系统设计提供理论支持和实践指导，推动变频器技术的持续发展和应用创新。
二、IGBT模块损耗计算绝缘栅双极晶体管（IGBT）是变频器中的关键元件，其性能直接影响变频器的效率和可靠性。
IGBT模块的损耗计算是散热系统设计的基础，对于确保变频器的稳定运行具有重要意义。
IGBT模块的损耗主要包括通态损耗和开关损耗两部分。
通态损耗是指IGBT在导通状态下，由于电流通过而产生的热量损耗。
开关损耗则发生在IGBT的开通和关断过程中，由于电压和电流的乘积在时间上的积分不为零，导致能量损失。
通态损耗的计算公式为：Pcond = Icoll * Vce(sat)，其中Icoll 为集电极电流，Vce(sat)为饱和压降。
饱和压降是IGBT导通时电压降的一个重要参数，它与集电极电流、结温和门极电流等因素有关。
igbt损耗计算
开关损耗
导通损耗：
Pc=I
DSU
ONδ：
导通工作电流*压降*占空比=20*1.8*0.85=31
300A*1.7V*.85=450
Ps=24*20*(500+600)ns*8k/2=2.12
300V*300A*(550+300)*8k/2=330
总的igbt+二极管损耗40w,800W
设环境温度35
则结温=35*0.8+8*3.4+35=85度。
在允许温度内
0.11*800+35+150*0.18=150度，对于cm600dy-12NF 已达到允许结温，必须散热。
散热计算：
1.电器热量(H)=热功率(P)*秒(t)/4.2单位焦耳
空气冷却器最高传热系数600kcal/m2/h/摄氏度,考虑实际情况取200，设热传递总温差为5度，则散热器鳍片面积
空气流量小时对于此类应用有一个风扇就行了
经验估算：
每瓦功率需要散热面积大约6平方厘米。
小于计算值每瓦功率需要风量0.54CFM（立方英尺/分）（0.986m^3/小时）40*0398近似等于计算值。
1/ 2
对于1000waigbt全桥需要散热面积为6000平方厘米
风量1000立方米/小时。
计算风扇尺寸转速：
风量60/转速（2000/min）则每转风量=0.085m^3,风速设定为3m/s则风扇面积=0.03m^2,边长选择20cm
转速2000，面积20*20cm^2,出口风速大于3m。
2/ 2。
IGBT损耗的计算步骤与方法
IGBT损耗的计算步骤与方法什么是IGBT？IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管）是一种高性能半导体开关，常见于大功率电子器件中，如变频器、电机驱动器等。
IGBT相对于MOSFET具有较高的电流和电压承受能力，而且相对于BJT来说，具有更低的输入电流和较高的输入电阻，因此在大功率应用中更为常见。
IGBT损耗的计算在IGBT系统中，由于电源的转换和系统中开关器件的切换，导致了电力的不可避免损耗。
IGBT损耗主要包括开关损耗和导通损耗两部分。
而在IGBT汽车应用中，由于空间限制，功率密度较高，设备大小小，自然散热能力弱，IGBT系统损耗往往成为设计的关键因素。
所以，IGBT损耗的计算是高功率电路设计的重要内容之一。
IGBT的计算主要包含以下步骤：1.确定IGBT的工作状态在IGBT电路中，由于器件的导通与截止会引起电路工作状况的不同，因此损耗的计算也应该区分导通和截止两种状态。
通常，为了保证IGBT的最大导通效率，前者工作于正常区间，而后者运行于饱和区间。
2.确定开关频率和时序在实际应用中，IGBT的开关频率不是固定的。
在开关过程中，由于开关时间和停留时间存在差异，因此开关频率和开关时序对IGBT的损耗具有很大影响。
决定损耗的因素包括IGBT的最高频率、电磁噪音、损耗曲线等。
3.计算IGBT的导通损耗导通损耗通常是由IGBT导通时由于电源的电阻而产生的热量导致的。
在计算导通损耗时，需要以实际的经验模型为基础，进行大量的电流、电压和温度的测试，得出实际损耗值。
4.计算IGBT的开关损耗在IGBT的开关过程中，由于机械运动和位移电容等因素造成的开关损耗，这部分损耗无法避免且很难直接测量。
5.损耗计算与分析以上四个步骤的计算结果，根据IGBT应用环境、工作状态和电路等因素，综合计算获得系统总损耗。
通过对得到的数据进行深入的分析和评估，可以进一步判断设计是否合理，进行优化。
如何计算IGBT的损耗和结温？示意图与公式结合讲解清楚
如何计算IGBT的损耗和结温？示意图与公式结合讲解清楚私信“干货”二字，即可领取18G伺服与机器人专属资料！IGBT作为电力电子领域的核心元件之一，其结温Tj高低，不仅影响IGBT选型与设计，还会影响IGBT可靠性和寿命。
因此，如何计算IGBT的结温Tj，已成为大家普遍关注的焦点。
由最基本的计算公式Tj=Ta+Rth(j-a)*Ploss可知，损耗Ploss和热阻Rth(j-a)是Tj计算的关键。
1. IGBT损耗Ploss计算基础知识图1 IGBT导通损耗和开关损耗示意图如上图1所示，IGBT的损耗Ploss主要分为导通损耗Pcond和开关损耗Psw两部分。
1.1 IGBT导通损耗PcondIGBT的导通损耗Pcond主要与电流Ic、饱和压降Vce和导通时间占空比D有关，如公式1所示：其中，电流Ic(t)和占空比D(t)都是随时间变化的函数，而IGBT饱和压降Vce(Ic,Tj)，不仅与电流Ic大小，还与IGBT此时结温Tj相关，如下图2所示：图2 不同温度IGBT饱和压降示意图为简化计算，先将饱和压降Vce(Ic,Tj)近似为Ic的线性函数Vce(Ic)如公式2所示：其中，rT为近似曲线的斜率，即∆Vce/∆Ic，VT0为该曲线与X轴的交点电压值。
图3 IGBT饱和压降随不同结温Tj的变化考虑到Vce与Tj近似线性的关系，如上图3所示，将Tj的影响因子加入公式（2），得到Vce(Ic,Tj)饱和压降的线性函数，如公式（3）、（4）、（5）所示：其中，TCV和TCr分别为VT0和rT的温度影响因子，可根据25°C 和125°C（或150°C）两点温度计算而得。
基于上述思路，我们可以将IGBT的导通损耗Pcond计算出来。
1.2 IGBT开关损耗PswIGBT的开关损耗Psw主要与母线电压Vcc、电流Ic、开关频率fsw、结温Tj、门级电阻Rg和回路电感Lce有关，如公式6所示：其中，Esw_ref为已知参考电压电流、门级电阻、温度Tj和回路电感下的损耗值，Ki为电流折算系数，Kv为电压折算系数，K(Tj)为温度折算系数，K(Rg)和K(Ls)分别为门级电阻和回路电感的折算系数。
IGBT功耗分析及散热片设计
IGBT功耗分析及散热片设计一、 HeatSink介绍：散热片是一种散热器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金，黄铜或青铜做成板状，片状，多片状等。
散热片主要靠对流来散热。
散热器装在低处，易于热气上升。
加强对流才能迅速提高热量，如果对流被破坏，热效率会被大大降低。
铝散热片是使用率最高的散热片之一，整体采用纯铝制造。
铝是地球上含量最高的金属，成本低和热容低是其主要特点。
其缺点主要是吸热慢，但优点是放热快，且散热效果跟其结构和做工成正比。
散热片数越多、底部抛光越好，散热效果越好。
其散热原理非常简单：利用散热器上的散热片来增大与空气的接触面积，再利用空气流动从而带走散热片上的热量。
一定要保证散热体台面的表面粗糙度、平行度和平面度满足要求，否则在运行中极易失去其散热能力，因过热而损坏器件。
二、认识三相逆变器的SPWM控制方法：下面是三相逆变器的示意图：采用SPWM控制方法各个开关管的驱动波形存在下面的关系：对于三相逆变器6组驱动波形会存在下面几组工作模式：1、上桥臂Q1开通，Q3、Q5关闭，下桥臂Q4、Q6开通，Q2关闭；2、上桥臂Q3开通、Q1、Q5关闭，下桥臂Q2、Q6开通，Q4关闭；3、上桥臂Q5开通、Q1、Q3关闭，下桥臂Q2、Q4开通，Q6关闭；4、上桥臂Q1、Q3开通，Q5关闭，下桥臂Q6开通，Q2、Q4关闭；5、上桥臂Q1、Q5开通，Q3关闭，下桥臂Q4开通，Q2、Q6关闭；6、上桥臂Q3、Q5开通，Q1关闭，下桥臂Q2开通，Q4、Q6关闭；假设，标志1代表开通，标志0代表关闭：则可以整理为6组工作状态：设开关管的工作频率为：fswitch=3200Hz三相逆变器SPWM控制原理三相逆变器6个开关管的驱动波形三、开关管的各个损耗参数：可以通过IGBT功率损耗分布分析及计算工具得到开关管的下列损耗参数：四、 HeatSink设计步骤：散热片设计的主要目的是确保总热阻减至最小可能值。
热阻计算在散热器设计中是首要任务，只有确定后才可将晶体管的结温进行预测。
IGBT损耗计算及其散热设计
PT：为器件的平均功耗（ ）；
TC：IGBT模块的基版温度，通过IGBT模块的接触热阻Rth(c-k)，可从散热器的设计温度或测量温度计算得到。这样就可以核算出设计的散热器是否合理，若Tj≤125℃，即为你的热设计合理。通常情况下，散热器的最高温度TK≤80℃时，结温Tj≤125℃就可以满足。
通常，IGBT的数据手册会给出E(on)、E(off)与IC的关系曲线，因此根据IGBT中流过的电流值，查曲线可得出E(on)、E(off)，再通过上述公式，可得到平均开关损耗，进而可得到每个IGBT的总平均功耗：
2.3
与IGBT反并联的续流二极管的损耗可以近似的通过数据手册中，查二极管的通态压降VF，与估算二极管的平均电流ID相乘得到，即：
IGBT损耗计算及其散热设计
1IGBT损耗分类1
2损耗计算1
2.1IGBT通态损耗计算2
2.2IGBT开关损耗计算2
2.3FWD的导通损耗2
2.4FWDቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ开关损耗2
3英飞凌IPOSIM6中损耗计算方法2
4IGBT结温计算4
4.1热阻4
4.2结温计算4
5散热器设计5
6NTC电阻的使用5
6.1使用模拟方法用获得NTC测量的温度5
由于续流二极管的截止损耗占总损耗的一小部分，所以亦被忽略了。它也有同IGBT模块同样的限制。正向恢复过程导致了开通损耗，在快速二极管中这一损耗也是微不足道的，可以被忽略。续流二极管的导通损耗取决于:负载电流(正向导通特性曲线VF=f(IF))、结层温度、占空比；对于给定的同续流二极管换流的IGBT的参数和被忽略的寄生元素(LS)，关断损耗取决于:负载电流、直流母线电压、结层温度，开关频率，总损耗的计算公式如下:
IGBT功率器件功耗与散热
IGBT功率器件功耗与散热IGBT等功率电子器件在工作中，由于自身的功率损耗，将引起IGBT温度升高。
引起功率器件发热的原因主要有两个，一是功率器件导通时，产生的通态损耗。
二是功率器件的开通与关断过程中产生的开关损耗。
IGBT功耗主要由导通损耗和开关损耗构成，需要合理的IGBT散热装置将产生的热量散发出去，保证IGBT变流器设备的可靠运行。
(1) 功率器件导通时，由于自身的导通压降并不为零，于是将产生通态损耗。
通态损耗主要与功率器件的导通压降、承载电流以及导通占空比有关。
设功率器件的导通压降为Uon，则当器件通过占空比为D，电流幅值为I T的矩形脉冲时，平均通态损耗为(2) 功率器件在开通与关断过程中，作用在其上的电压、电流波形可近似表示为图1所示形式。
功率器件在开通时不能瞬间完全导通，逐渐下降的电压与逐渐上升的电流将产生开通损耗Pon。
功率器件在关断时不能瞬间完全截止，逐渐下降的电流与逐渐上升的电压将产生关断损耗off。
开通损耗Pon和关断损耗Poff的总和即是功率器件的开关损耗Ps。
开关损耗主要与功率器件的承载电压、电流以及开关频率有关。
对于电阻性负载，依据图1(a)所示的波形，设功率器件截止时承载的电压为U T，开通时的电流为I T，开关的频率为fs，周期为Ts，则在一个开关周期内的平均开关损耗为对于电感性负载，在电压、电流相同的情况下，功率器件的平均开关损耗要大干电阻性负载，一般认为其在一个开关周期内平均开关损耗为开关器件的平均通态损耗Pc与平均开关损耗Ps之和就是开关器件总的功率损耗，它们将转化为热量而引起功率器件发热。
各种功率器件的核心均是半导体PN结，而PN结的性能与温度密切相关，为此，功率器件均规定了正常工作的最高允许结温Tjm。
为了保证器件正常工作，器件工作时的结温应始终低于最高允许结温Tjm。
但工程上能够测量到的结温实际上是功率器件外壳的平均温度，由于功率器件内部温度分布是不均匀的，可能会出现局部高于最高允许结温的过热点而使器件损坏。
变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计
１６１
断损耗；Ｋ。为桥臂电压；ｋ伽、Ⅵ。协ａ分别为参考电
流和参考电压：墨，叫为电流幅值对ＩＧＢＴ开关损
耗影响的电流系数；墨。Ｔｆ’，为桥臂电压对ＩＧＢＴ开 关损耗影响的电压系数；羁。Ｄ，为电流幅值对快恢 复二极管开关损耗影响的电流系数；墨加Ｐ为桥臂 电压对快恢复二极管开关损耗影响的电压系数；
甄，ｎ ｒ为温度对ＩＧＢＴ开关损耗影响的温度系数；
为ＩＧＢＴ和快恢复二极管２５℃时的额定导通压降； 正Ｔｒ和正Ｄ分别为ＩＧＢＴ和快恢复二极管的实际结
温；ｇｒ Ｔｒ为温度对ＩＧＢＴ通态电阻影响的温度系数；
墨Ｄ为温度对快恢复二极管通态电阻影响的温度系 数；鼠Ｔｒ为温度对ＩＧＢＴ导通压降影响的温度系数； 凰Ｄ为温度对快恢复二极管导通压降影响的温度系 数：ｆ为ＰＷＭ逆变器输出电流。 采用ＳＰＷＭ或ＳＶＰＷＭ时逆变器输出交流电压
Ｈｕ Ｊｉａｎｈｕｉ
ａｎｄ Ｈｅａｔ Ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ
Ｌｉ Ｊｉｎｇｅｎｇ Ｚｏｕ Ｊｉｂｉｎ Ｈａｒｂｉｎ Ｔａｎ Ｊｉｕｂｉｎ １ ５０００ １
Ｍｏｄｕｌｅ
（Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｂｓｔｒａｃｔ
提出了一种设计变频器散热系统的实用方法，建立了比较准确且实用的变频器中ＩＧＢＴ
（绝缘栅型双极晶体管）模块的通态损耗和开关损耗的计算方法，考虑了温度对各种损耗的影响， 采用热阻等效电路法推导得出了散热器及功率器件各点温度的计算公式，并给出了散热器热阻的 实用计算公式．在此基础上设计了一套采用强迫风冷的散热系统，计算结果与试验结果的对比， 验证了该设计方法的合理性与实用性． 关键词：变频器 损耗 热阻 散热系统 中图分类号：ＴＭ４６５ Ｌｏｓｓｅｓ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＩＧＢＴ
变频器功率器件损耗计算-2010020
2 Ip Ip Ip 1 1 2 (VF 0 rF ) m cos (VF 0 rF I p ) 2 4 8 3
VF0和rF的获取方法与整流二极管相同
上下二极管互补工作，通态损耗相同。
IGBT模块损耗计算(两电平)
• 二极管关断损耗计算
二极管关断损耗与电压、结温的关系与IGBT一致，但与驱动电阻成反比，驱动电阻越 大，关断能量越小。二极管关断能量与电流不是线性关系。
Vdc Ic ∙ Vnom Inom
T
T
Vdc Ic ∙ ∙ Vnom Inom
Ic用IGBT电流在一个电源周期内的平均值代替
1 Ic = 2π
π 0
Ip sinωtdωt =
Ip π
IGBT模块损耗计算(两电平)
• IGBT开关损耗计算
Psw
T
1 = fs ∙ [Eon π
T
Vnom , Inom , R G , Tj
变频器功率器件损耗计算
唐益宏
2010-10-28
目录
• 整流二极管损耗计算 • IGBT模块损耗计算 • 电解电容损耗计算
• 电抗器损耗计算
• 反激电源主开关管损耗计算
• 反激电源变压器损耗计算
• 反激电源整流二极管损耗计算
变频器主电路
Lin R S T
Ldc
Lout U V W
整流二极管损耗计算
1 1 d IGBT 1 m sin(t ) m sin[3(t )] 2 5
IGBT模块损耗计算(两电平)
• 采用SVPWM调制时的损耗 IGBT通态损耗
Pfw
T
1 = 2π
π 0
变频器损耗计算及散热分析
变频器损耗计算及散热分析作者：杨斌韩飞来源：《科技风》2017年第03期摘要：变频器的损耗计算和散热，是比较重要的两项内容，分析好损耗与散热，才能保证变频器的有效性，避免增加变频器的能耗。
本文主要结合变频器运行，探讨损耗计算与散热。
关键词：变频器；损耗计算；散热随着我国经济事业的发展，能耗以及能源价格等，也得到了明显的提升，直接增加了企业的消耗成本。
基于节能降耗的思想，变频器方面，提高了对损耗计算以及散热分析的重视度，一方面研制节能降耗型的变频器，另一方面提高维护变频器的性能，延长其在行业中的使用寿命，避免变频器运行中出现安全问题。
一、变频器的系统分析（一）环境设定变频器的机箱外部，如环境温度是35℃，而空气之间的换热系数，就要设计成5W/m2·K，絮流的气流状态，速度是0.5m/s，按照变频器的系统设计，求出环境设定的数值，其中求解过程中，箱体的体系是定义的10倍，迭代求解的次数是400。
（二）建立模型变频器的损耗计算与散热分析中，构建系统化的模型，包括变频器建模、散热器建模以及风扇建模，目的是利用建模实现变频器的准确研究[ 1 ]。
例如：变频器的系统建模，会根据实际变频器的参数，输入到模型中，如变频器的底面，选用铝或铜的材料，厚度是3mm，等，在建模后，变频器的一面，必须紧紧贴着散热器，散热器的建模中，选用的是肋片结构，每个肋片的间距是7mm，根部的厚度，保持在15mm，可使用的规格为675.6mm×652mm×73mm。
（三）划分网格变频器系统中，通过网格规划，研究散热器与热源的关系，可以使用粗糙网格的方式，规划好变频器系统中对应的网格，加强整体网格划分后的分布与控制情况，规避网格划分中潜在的误差，进而优化变频器的系统研究。
二、变频器的损耗计算变频器损耗计算时，需要建立相关的损耗模型，根据变频器的各个开关，构建复杂的数学模型，期间涉及到大规模的计算量[ 2 ]。
大功率三电平变频器损耗计算及散热分析
2011年2月电工技术学报Vol.26 No. 2 第26卷第2期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb. 2011大功率三电平变频器损耗计算及散热分析景巍谭国俊叶宗彬（中国矿业大学信息与电气工程学院徐州 221008）摘要准确计算功率器件损耗可优化变频器的散热设计。
功率器件的导通和开关特性对温度比较敏感，损耗计算必须考虑结温的影响。
本文分析了中点钳位式（NPC）三电平变频器功率器件导通和开关规律，在此基础上建立了一套实用的损耗计算方法。
通过热阻等效电路计算了功率器件的结温。
对一台1MVA NPC三电平变频器在逆变和整流两种典型工况下进行了试验分析，采用红外热成像仪对功率器件的温度进行测量，计算和测量结果误差率在5%以内，验证了损耗计算的准确性。
关键词：三电平变频器 IGBT模块损耗结温散热热阻中图分类号：TM464Losses Calculation and Heat Dissipation Analysis ofHigh-Power Three-Level ConvertersJing Wei Tan Guojun Ye Zongbin（China University of Mining and Technology Xuzhou 221008 China）Abstract Thermal design of the converter can be optimized if the power losses are precisely known. The device’s conduction and switching characteristics are very sensitive to the temperatures, so the influence of junction temperatures must be taken into consideration when calculating the power losses. In this paper, a practical loss calculation method is derived based on the analysis of the conduction and switching principles of the neutral point clamping three-level converters. Using thermal resistance equivalent circuit, the devices junction temperatures are acquired. An 1MVA NPC converter is tested in inverter and rectifier operating modes, and the infrared thermal imager is used to measure the devices temperatures. The error rates between measured and calculated temperatures are within 5% range and thus the validity of the loss calculation method is verified.Keywords：Three-level converter, IGBT module, loss, junction temperature, heat dissipation, thermal resistance1引言大功率变频器采用多电平技术可有效地降低变频器输出电压的谐波成分，改善其输出性能[1]。
IGBT耗散功率计算
IGBT 耗散功率计算不管是正常负荷还是超负荷，IGBT安全工作必须确保结温T不超过Tj。
一关于IGBT及损耗IGBT模块由IGBT本部和续流二极管FWD组成，各自发生的损耗的合计为I GBT模块整体损耗；同时，IGBT的损耗又分为通态（稳态）损耗和交换（开关）损耗。
通态损耗可通过稳态输出特性计算；交换损耗可通过交换损耗-集电极电流特性来计算。
二IGBT（本部）耗散功率计算1、通态功耗的计算IGBT通态平均功耗是P sat。
通态损耗近似是PsaPWM应用时，近似通态损耗P sat。
2、开关损耗计算开关损耗精确计算：测量开关过程中I C和形，对其进行积分（积分时间是开通时间T时间TOf）开通损耗：关断损耗：t积是以焦耳为单位的开关能量。
总的开关损耗是开通与关断过程所损耗能量之和，平均开关损耗是单位脉冲开关损耗与开关频率相乘后得到：实际上EO损耗-集电极电流特性曲线来估算大多数IGB T都会提供交换损耗与集电极电流特性曲线，如下图：依据IGBT实际流过的电流值，查曲线得到，即可计算平均开关损耗：3、IGBT本部总损耗是通态损耗和开关损耗之和三IGBT(FWD-二极管部)功率损耗四VVVF变频器中IGB T模块的功耗计算在SPWM调制的变频器中，IGBT的电流值及占空比经常变换，使得功耗计算很困难。
以下是估算公式：1每一个IG B T的平均通态损耗2 每一个IGB T的平均开关损耗3 每一个桥臂I GBT的总功耗4 反并联续流二极管的通态平均功耗5 每一个IGB T总功耗计算举例条件：IGBT：eupec公司型号：FZ1200R33KF2C开关频率20kHz;功率因素c0.8；SPWM变频器，400Kva,320kW。
额外IGBT功率损耗
一 3300V 1200A 模块计算(1) 每个IGBT 的平均通态损耗()1(cos )83sat cp CE sat D P I V θπ=⨯⨯+=571×1.414×3.6×0.211=613.3W(2) 每个IGBT 的平均开关损耗()()1[]SW on off PWMP E E f π=+⨯=0.318×（750+1100）×450/1000=264.7W(3) 每个IGBT 的总功耗 T sat SW P P P =+=613.3+264.7=878W(4) 反并联续流二极管的通态平均功耗1(cos )83D CP F D P I V θπ=⨯-=571×1.414×3.3×0.031=82.6W(5) IGBT 和反并联二极管的功耗A T D P P P =+=878+82.6=960.6Wcp I 为输出正弦电流峰值；D 为PWM 信号占空比，取0.9；θcos 为功率因数，取0.9； on E 为j T =125C ︒时，峰值电流cp I 下从曲线可查到的开通能量；off E 为j T =125C ︒时，峰值电流cp I 下从曲线可查到的关断能量；PWM f 为PWM 开关频率；)(sat CE V 为j T =125C ︒时，峰值电流cp I 下，IGBT 的饱和压降；F V 为反并联二极管导通压降。
二 6500V 600A 模块计算（1）每个IGBT 的平均通态损耗()1(cos )83sat cp CE sat D P I V θπ=⨯⨯+=367×1.414×4.7×0.211=514.6W（2）每个IGBT 的平均开关损耗()()1[]SW on off PWMP E E f π=+⨯=0.318×（4000+3200）×450/1000=1030.3W（3）每个IGBT 的总功耗 T sat SW P P P =+=514.6+1030.3=1544.9W（4）反并联续流二极管的通态平均功耗1(cos )83D CP F D P I V θπ=⨯-=367×1.414×3.4×0.031=54.7W（5）IGBT 和反并联二极管的功耗A T D P P P =+=1544.9+54.7=1599.6Wcp I 为输出正弦电流峰值；D 为PWM 信号占空比，取0.9；θcos 为功率因数，取0.9； on E 为j T =125C ︒时，峰值电流cp I 下从曲线可查到的开通能量；off E 为j T =125C ︒时，峰值电流cp I 下从曲线可查到的关断能量；PWM f 为PWM 开关频率；)(sat CE V 为j T =125C ︒时，峰值电流cp I 下，IGBT 的饱和压降；F V 为反并联二极管导通压降。
变频器功率器件损耗计算
整流二极管损耗计算
•
输入功率因数计算
带直流电抗器，且直流侧电流连续，电容的纹波电流为
2
2
7
.72
10
U
1
.
89
10
U
in
in
IC
1
1
2
(6
L
) 2
(
12
L
)
6
C
12
C
Uin为输入线电压的有效值，L为直流电抗器的电感量，C为母线电容量
0.955Idc(AVG)
直流侧电流不连续，通过实测或仿真得到输入功率因数。
应的点(VF2,IF2)，由此可得
进一步求得
rF
VF1 VF2
IF1 IF2
V
V
r
IF1
F
0
F
1
F
IGBT模块损耗计算
Lin
Ldc
Lout
R
U
S
V
T
W
IGBT模块损耗计算
•
IGBT模块损耗构成
IGBT通态损耗：
IGBT开关损耗：
Pfw /T
1
=
T
T
0
VCE (t) ∙ iC (t)dt
•
IGBT开关损耗计算
IGBT开关能量与电流近似成线性关系，当母线电压在IGBT额定工作电压（600V IGBT为300V，1200V IGBT
为600V，1700V IGBT为900V，3300V IGBT为1800V）的±20%范围内时，IGBT开关能量与母线电压近
似成线性关系，母线电压一般在这个范围内。IGBT开通能量还与驱动电阻有关，驱动电阻越大，开通能量
逆变器IGBT损耗计算及冷却装置设计_白保东
1 T
0 VF (t ) I F (t ) DD (t )dt
T
（ 4）
1 = T
式中，VF( t)为 Diode 导通压降；I F( t)为流过 Diode （ 1） 的电流； D D (t) 为 Diode 占空比。 2.4 Diode 的关断损耗 与二极管的开通损耗相比，关断损耗要比其
最后得到占空比 D( t) 函数可表示为
从式（ 5 ）可以看出，二极管的反向恢复损耗 与门极开通电阻呈现反比例关系。其中，
0 D(t ) 1 DA (t )
DA (t )Tsw Tsp DA (t )Tsw Tsp 其他
（ 10）
Erec ( Rgon_Test) 为产品测试时 IGBT 额定电流时门极
63sin23sin2dtmtdtmt????????????????令dutdt有7uvw13221322dtdtdtdtdtdtdtdt??????????????对式7取最大值与最小值有8????maxuvwminuvwmaxminddtdtdtddtdtdt???????令9maxmintemptempua3213dddtdtdtdt?????????????最后得到占空比dt函数可表示为10aswspaswspa01dtttdtdtttdt?????????他他式中tsw为开关周期
国家自然科学基金（ 51277122 ），教育部博士点基金（ 20122102 130001 ），教育部创新团队（ IRT1072 ）和辽宁省教育厅创新团队 项目（ 2207T123 ）资助项目。 收稿日期 2012-09-13 改稿日期 2013-03-21
1
引言
IGBT模块的散热设计
IGBT模块的散热设计由于IGBT模块自身有一定的功耗，IGBT模块本身会发热。
在一定外壳散热条件下，功率器件存在一定的温升（即壳温与环境温度的差异）。
IGBT模块外壳散热表面积的大小直接影响温升。
对于温升的粗略估计可以使用这样的公式：温升=热阻系数×功率器件的功耗。
热阻系数对于涂黑紫铜的外壳P25xxx（用于SMP-1250系列产品的外壳）来说约为3.76℃/W。
这里的温升和系数是在功率器件直立并使下方悬空1cm、自然空气流动的情况下测试的。
对于温度较高的地方，须将IGBT模块降额使用以减小功率器件的功耗，从而减小温升，保证外壳不超过极限值。
对于功率较大的功率器件，须加相应的散热器以使功率器件的温升得到下降。
不同的散热器在自然的条件下有不同的对环填的热阻，主要影响散热器热阻的因素是散热器的表面积。
同时考虑到空气的对流，如果使用带齿的散热器，应考虑齿的方向尽量不阻碍空气的自然对流。
所有的功率器件在运行时，由于内部功率消耗都将产生一些热量。
在每一应用中都有必要限制这种“自身发热”，使功率器件外壳温度不超过指定的最大值。
绝大多数功率器件生产商都以产品的功率密度作为水准衡量产品的有效性。
功率密度通常由瓦/立方英寸(W/in3)来表示。
了解功率密度定义的条件是非常重要的。
如果用户不能在规定的最大的环境温度范围内使用功率器件，就有可能达不到参数中的最大输出功率。
功率器件可用的平均输出功率就是可用的功率密度，功率器件的功率密度取决于下列因素。
1）要求的输出功率。
要求的输出功率是应用需要的最大平均功率。
2）热阻抗。
热阻抗的定义是功率消耗产生的温升，通常用℃/W度量。
3）外壳最高工作温度。
所有功率器件都规定了外壳最高工作温度，该温度是指功率器件内部的元件工作时所能承受的最高温度。
为保持功率器件的可靠性，应工作在最高温度以下。
4）工作环境温度。
它是指在功率器件工作时最差的环境温度。
功率器件在工作时若发热量太大，且又来不及向周围媒质消散，功率器件就会因超过其正常工作的保证温度而失效。
浅议大功率三电平变频器损耗计算及散热分析
浅议大功率三电平变频器损耗计算及散热分析摘要：准确的算出大功率的三电平变频机的损耗，能够使变频机的散热系统得到优化。
变频器的导通和开关对温度的变化十分敏感，在进行大功率三电平变频器损耗计算的时候，一定要考虑温度变化所带来的影响。
本文重点介绍了大功率三电平变频器的导通和开关的变化方式，并且通过研究整理出了一套能够计算损耗的方法。
对一台大功率三电平变频器在逆变和整流这两种情况下进行了研究和讨论。
关键词：三电平变频器；损耗；计算大功率变频器由于采用了多变频技术，从而改善了输出性能，由于电平数量的增多，其相连的变频器的功率部件也会随之上升。
所以无论从哪一个方面看三电平变频器优势都十分明显。
变频器的数量增加，其变频器的功率部件也在不断的损耗，所以在过程中出现的散热问题，已经成为了大功率三电平变频器制作过程中，可能出现的核心问题。
1.NPC三电平变频器的开关状态问题NPC因为钳位二极管的原因，可以输出三种开关状态分别是P、O、N这三种状态。
其三种开关状态对应的开关序列和输出的电压可以参照表1所示。
从负载电流的流向能够看出，状态不同的情况下有两种不同电流通过，本文把电流流出变频器的方向看成正，流入变频器的方向是负[1]。
2.损耗计算方法VT1在同一个调制周期的内的导通损耗及开关损耗的计算方法：开关的频率比调制频率要高的时候，开关的损耗的计算方法可以用连续积分来表达，还能重新表达为：3.普遍的功率器件散热方式3.1空气中散热空气中散热是指不用任何外力来提高能量进行发热，而是不停的向周围环境散发热量，从而达到能够控制其温度的目的。
传热方式有对流、传导、辐射等等传播方式，自然对流是主要的传播方式。
对温度要求不高的耗电器件不需要其他的冷却器件，采用在空气中散热就可以[2]。
3.2风冷散热空气中散热的方式如果完全不起作用，就要借助其外力来加强空气流动，器件发出的热流传给了周围。
这种方式简单便捷，而且十分便宜，技术已经成熟，工作原理安全，是散热方式中最普遍的一种。
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电工技术学报
2009 年 3 月
较大的偏差。文献[3]利用 PSPICE 软件仿真计算 IGBT 损耗时，需要建立较为准确的 IGBT 模型，同 时需要编程求解，较为繁琐，且结果误差较大，实 用性不强。
随着开关频率的提高，开关损耗在整个器件损 耗中的比例也变得比较大，开关损耗包括开通损耗 和关断损耗两部分。在给定环境条件下，器件导通 或关断时的能量损耗（焦耳）可以通过间接的将电 流和电压相乘再对时间积分这种方法得到[6]，同时 需考虑实际电流与参考电流以及实际电压与参考电 压之间的差异。在一个开关周期内，IGBT 和快恢 复二极管的开关损耗可以分别表示为
Abstract A practical method to design the heat dissipation system of the inverter is presented. By considering the effect of junction temperature on the losses, the conducting losses and the switching losses of the IGBT module used in the inverter are calculated. A heat resistance equivalent circuit of the heat dissipation system is presented; a practical formula to calculate the heat resistance of heat dissipation system is obtained, and the temperature calculation formulas of the IGBT module and heat dissipation system is derived. A heat dissipation system for the inverter using forced-air-cool is designed. The measured losses and temperatures are given, the calculated results and the experiment results verify the validity and practicability of the presented design method of heat dissipation system.
Keywords：Inverter, loss, heat resistance, heat dissipation system
1 引言
近年来，随着大功率电力电子器件的发展，变 频器的容量得到迅速提高，其散热系统设计已成为 一个关键问题。实际经验表明，变频器散热系统设 计的好坏，直接影响到变频器能否安全稳定的长时 间工作。变频器发热的绝大部分是由功率器件的损 耗引起，而功率器件本身对温度比较敏感，温度的 变化会影响器件的开通和关断过程，并影响变频器 的工作性能。为了限制功率器件的温升，常见的散
采用 SPWM 或 SVPWM 时逆变器输出交流电压 的基波 u 为
u = 2Uout cosθ
（3）
式中，Uout 为实际电压的有效值；θ 为自变量相角。 当开关频率足够高时，输出电流 i 可近似等效
为正弦电流，则有
i = 2Iout cos(θ − ϕ)
（4）
式中，Iout 为实际电流的有效值；ϕ 为实际电流和实
由散热系统的热阻等效电路，经推导可求得散
胡建辉等 变频器中的 IGBT 模块损耗计算及散热系统设计
161
断损耗；Vcc 为桥臂电压；Irated、Vrated 分别为参考电 流和参考电压；KswTr_I 为电流幅值对 IGBT 开关损 耗影响的电流系数；KswTr_V 为桥臂电压对 IGBT 开 关损耗影响的电压系数；KswD_I 为电流幅值对快恢 复二极管开关损耗影响的电流系数；KswD_V 为桥臂 电压对快恢复二极管开关损耗影响的电压系数；
KswTr_T 为温度对 IGBT 开关损耗影响的温度系数； KswD_T 为温度对快恢复二极管开关损耗影响的温度 系数。最后需要特别指出，对于不同的栅极驱动电
阻，单脉冲开关损耗 Eon、Eoff 和 Err 有一定的差异， 需要从损耗曲线上合理选择。
2.3 系统总的损耗
单个 IGBT 总的损耗 PTr 为通态损耗与开关损耗
2009 年 3 月 第 24 卷第 3 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.24 No. 3 Mar. 2009
变频器中的 IGBT 模块损耗计算及 散热系统设计
胡建辉 李锦庚 邹继斌 谭久彬
（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001）
摘要 提出了一种设计变频器散热系统的实用方法，建立了比较准确且实用的变频器中 IGBT （绝缘栅型双极晶体管）模块的通态损耗和开关损耗的计算方法，考虑了温度对各种损耗的影响， 采用热阻等效电路法推导得出了散热器及功率器件各点温度的计算公式，并给出了散热器热阻的 实用计算公式。在此基础上设计了一套采用强迫风冷的散热系统，计算结果与试验结果的对比， 验证了该设计方法的合理性与实用性。
际电压之间的相角。 给定 PWM 方法的占空比 ξ 为
ξ = 1+ M cosθ 2
（5）
式中，M 为 PWM 的调制度（相电压峰值除以 1/2
桥臂直流电压）。在恒定的频率下，占空比可以简化
表示为相角θ 的函数。
根据式（1）和式（2），经推导，输出正弦波电
流时的 IGBT 和快恢复二极管的通态损耗可以分别
（1）
vF = ⎡⎣rF_25℃ + Kr_D (Tj_D − 25℃)⎤⎦ i + ⎡⎣VF_25℃ + Kv_D (Tj_D − 25℃)⎤⎦
（2）
式中，vCE 和 vF 分别为 IGBT 和快恢复二极管的实际 导通压降；rce_25℃和 rF_25℃分别为 IGBT 和快恢复二 极管 25℃时的额定通态电阻；Vce_25℃和 VF_25℃分别 为 IGBT 和快恢复二极管 25℃时的额定导通压降； Tj_Tr 和 Tj_D 分别为 IGBT 和快恢复二极管的实际结 温；Kr_Tr 为温度对 IGBT 通态电阻影响的温度系数； Kr_D 为温度对快恢复二极管通态电阻影响的温度系 数；Kv_Tr 为温度对 IGBT 导通压降影响的温度系数； Kv_D 为温度对快恢复二极管导通压降影响的温度系 数；i 为 PWM 逆变器输出电流。
1 2π
−
M
cosϕ 8
⎞ ⎟⎠
⎡⎣VF_25℃
+
K v_D
(Tj
−
25℃)⎤⎦
+Io2ut2来自⎛ ⎝⎜1 8
−
M
cosϕ 3π
⎞ ⎠⎟
×
⎡⎣rF_25℃ + Kr_D (Tj − 25℃)⎤⎦
（7）
式中，Pcond_Tr 和 Pcond_D 分别为 IGBT 和快恢复二极 管的通态损耗。 2.2 开关损耗
⎛V
⎝⎜⎜
CC
Vrated
⎞KswD _V ⎠⎟⎟
×
[1+ Ksw_D (125℃− Tj_ D )]
（9）
式中，fs 为载波频率；Eon 为 IGBT 额定状态下的单 脉冲开通损耗；Eoff 为 IGBT 额定状态下的单脉冲关 断损耗；Err 为快恢复二极管额定状态下的单脉冲关
第 24 卷第 3 期
关键词：变频器 损耗 热阻 散热系统 中图分类号：TM465
Losses Calculation of IGBT Module and Heat Dissipation System Design of Inverters
Hu Jianhui Li Jingeng Zou Jibin Tan Jiubin （Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China）
收稿日期 2008-03-30 改稿日期 2008-07-28
热方式一般有自然冷却、强迫风冷、油冷和水冷四 种。强制风冷的散热效果是自然风冷的 5～10 倍， 油冷或水冷的散热效果是自然冷却的 120～150 倍。 从结构的复杂性和实现的难易程度来看，强制风冷 比水冷有着结构简单，实现容易和可靠性高等优点， 因此功率在数百瓦到数百千瓦之间的变频器主要采 用强制风冷进行散热。
Psw_Tr =
fs (Eon + Eoff )
2 π
⎛ ⎜ ⎝
Iout I rated
⎞ KswTr_I ⎟ ⎠
⎛V
⎜⎜⎝
CC
Vrated
⎞ KswTr_V ⎟⎟⎠
×
⎡⎣1+ Ksw_Tr (125℃− Tj_Tr )⎤⎦
（8）
Psw_D = fs Err
2 π
⎛ ⎜ ⎝
Iout I rated
⎞KswD _I ⎟ ⎠
通态损耗是指 IGBT 导通过程中，由于导通压 降而产生的损耗。对于带快恢复二极管的 IGBT， 其导通特性可以分别用下面的线性公式近似描述。
vCE = ⎡⎣rce _ 25℃ + Kr _ Tr (Tj_Tr − 25℃)⎤⎦ i + ⎡⎣Vce _ 25℃ + Kv_Tr (Tj_Tr − 25℃)⎤⎦
用下面的公式计算。