IGBT功率损耗计算--蔡华

IGBT功率损耗计算对比

---手算、Psim热模型、IPOSIM计算

蔡华

目的：对Psim中IGBT热模型功率计算方法进行验证，以便后期使用参考。

方法：(1)根据器件手册计算；

(2)根据英飞凌官方提供的计算工具核对.

条件：经典的Buck电路；

输入电压：1000V；

输出电压：500V；

输出电感：1mH；

负载电阻：5Ω；

开关频率：5kHz

占空比：0.5；

IGBT：英飞凌FF300R17ME4。

Psim仿真电路见图1。

图 1 Psim仿真模型

英飞凌网站主页IPOSIM工具入口方法见图2。

英飞凌官方功率计算网站

/iposim/HighPower/All/TopologySelection.aspx

图 2 英飞凌网站主页IPOSIM工具入口

1.手工计算IGBT损耗

(1)计算IGBT导通损耗。

手册中给定的器件FF300R17ME3的IGBT导通电流与压降关系如图3所示。

图 3 IGBT导通电流与压降

IGBT导通时，从上述条件，可知，负载电压500V，负载平均电流100A，对应器件压降

1.4V，占空比为0.5，平均导通损耗Pcond=100A*1.4V*0.5=70W。

(2)计算IGBT开关损耗。

手册中给定的IGBT开通和关断损耗与电流关系如图4所示。

图 4 IGBT开通和关断损耗与电流关系

IGBT导通平均电流为100A，开通关断，每次开关动作对应的开通和关断损耗Eon+Eoff=75mJ，实际Uce承受电压为1000V，图中测试条件为900V，所以还要乘以1000/900，开关频率为5kHz。所以对应的开关损耗为Psw=75m*5k*1000/900=416.6W。

(3)计算IGBT反并联二极管导通损耗。

手册中给定的IGBT反并联二极管压降与电流关系如图5所示。

图 5 IGBT反并联二极管压降与电流关系

IGBT关断时，电流从续流二极管流过，IGBT反并联二极管导通电流基本为0，损耗为0，

可能此处不严谨，求拍。

(4)计算IGBT反并联二极管反向恢复损耗。

手册中给定的IGBT反并联二极管反向恢复损耗与电流关系如图6所示。

图 6 IGBT反并联二极管反向恢复损耗与电流关系由于IGBT反并联二极管无电流，所以认为此处反向恢复损耗也为零。

2.IPOSIM工具（英飞凌官方网站IGBT损耗计算）

选择DC/DC-Buck电路拓扑，输入如下参数，选择本文的器件，计算。

DC/DC - Buck > Simulation ResultsHello: Hua Cai | Logout | Feedback | Help/Support Input Requirements

Input Voltage 1000 V

Blocking Voltage 1700 V

Output Voltage 500 V

Duty Cycle 0.5

Switching

5000 Hz

Frequency

Load Resistance 5 Ω

Load Inductance 1 mH

FF300R17ME4

Igbt Parameters

V CEsat,25°C 1.95 V E on+E off,125°C190.50 mWs R G,on 3.300 ΩR G,off 4.700 ΩR thJC0.083 K/W R thCH0.029 K/W

Diode Parameters

V F,25°C 1.80 V E rec,125°C78.50 mWs R thJC0.130 K/W R thCH0.046 K/W

Application Data

R G,on 3.300 Ω

R G,off 4.700 Ω

Thermal Conditions

Fixed Heat Sink

Heat sink

50 °C Temperature

Junction Temperatures

IGBT 106.0 °C

FWD 86.4 °C

Switching Losses

IGBT 420.455 W

Free Wheeling Diode 144.445 W

Conduction Lossses

IGBT 76.943 W

Free Wheeling Diode 61.261 W

Average Losses

IGBT 497.398 W

Free Wheeling Diode 205.705 W

3.Psim中IGBT热模型

根据英飞凌FF300R17ME3器件手册，建立热模型如图7所示，其中每个曲线只取了4~5个关键点。

图7 英飞凌FF300R17ME3在Psim中热模型

将所建立的device文件放入C:\Program Files\Powersim\PSIM9.0.3_Trial\Device 文件夹内。重启Psim，选择刚才的器件模型，如图8所示。

图8 加载所选的器件热模型

仿真结果如图9和图10(放大波形)所示。

图9 Psim仿真结果

图10 Psim仿真结果放大波形

4.总结对比

采用上述三种方法的计算结果如表1所示，可以看出，对于IGBT导通损耗和IGBT开关损耗的计算结果，三种方法还是比较接近的，其中有曲线选择时取样点误差的影响。然而，对于反并联二极管的损耗问题，IPOSIM给的值，不知道是另外续流二极管的损耗值还是内部反并联二极管的损耗值。

表1 不同方法计算结果对比(RL=5Ω)

为了更具有说服力，对负载电阻为2.5欧姆和2欧姆时，进行了仿真计算，结果见表2和表3。从表2可以看出，Psim与IPOSIM的结果同样比较接近。但是在表3中，Psim和IPOSIM 的结果差距拉大了点，可能原因之一是在表3中，负载电流为250A，而器件热模型曲线采样时该点没有采样，Psim计算中进行了插值，造成了误差。

表2 不同方法计算结果对比(RL=2.5Ω)

表3 不同方法计算结果对比(RL=2Ω)

以上只是计算和仿真的结果，没有实验数据，结果可靠性不得而知，但英飞凌官方网站提供的数据应该是可信的。仅供参考！

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