基于IPOSIM的IGBT功率损耗仿真
混合动力汽车功率模块的功率损耗计算和热仿真要点
混合动力汽车功率模块的功率损耗计算和热仿真通常，混合动力汽车同时具备内燃机引擎和电力马达驱动系统，并利用功率半导体模块来实现电力马达的速度调节。
通常功率半导体模块在车辆上的冷却方式主要为风冷和液态冷却。
不同汽车制造商设计的混合动力系统大相径庭，直接并无可比性。
除冷却系统之外，功率半导体模块封装甚至半导体技术本身都各不相同。
为了使这些系统更具可比性，本项研究采用了一个适用于不同冷却系统的、被称为HybridPACK的通用“基础功率模块”。
在配置中采用了一套基本输入参数集，例如行驶循环、电机类型、甚至半导体的电气特性等。
同时，为简化计算，忽略了不同驾驶策略的影响。
在电力电子系统中，功率半导体模块温度及温度波动对可靠性有较大的影响。
为此，基于功率半导体模块的功率损耗计算和热仿真模型。
开发了一个程序来计算整个行驶循环期间的温度。
通过计算出从功率半导体模块至冷却系统的温度分布，可以评估出模块各部分受到的热应力，诸如焊接点或键合点等。
通过将热应力转换为可靠性试验数据，可以预测出功率半导体模块的使用寿命。
从行驶循环到可靠性试验可靠性试验在使用寿命期内，模块要承受环境（气候）造成的被动温度波动，及因模块运行发热造成的主动温度循环。
温度循环和功率循环试验，可以模拟以上几种情况对模块寿命的影响。
温度循环：在温度循环试验中，在没有电气应力的情况下，改变功率半导体模块的环境温度，包括对（TST：热冲击试验）和（TC：热循环试验）。
这项实验主要用于评估焊接点的可靠性，及评估模块在贮存、运输或使用过程中对可能发生的温度突变的耐受性。
功率循环：功率循环（PC）试验可用于确定功率模块内部半导体芯片和内部连接点焊接，在通过周期性电流时，对热应力和机械应力的耐受性。
周期性施加电流会导致温度快速变化，会导致绑定线机械位置波动。
功率循环试验对高温条件下的工作寿命预期分析具有代表性[1]。
热应力造成的主要故障是IGBT模块的内部焊接疲劳和焊接线脱落。
IGBT损耗仿真软件使用说明
点击
按钮确定.
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负载循环计算结果
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温度波形 (2个周期)
损耗 (1个周期的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ均值)
损耗和频率波形 (2个周期)
温度
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寿命计算（案例）
周期 = 40s
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PIGBT
Rth(c-f)
PFWD Ploss
Tf
Rth(f-a) Ta
Ploss_f
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DC-Lock条件下损耗计算
在直流锁定（DC-lock DC lock）状态下的电流路径由下图表示，输出电流为直流电流 (Ic)。 在此状态下, 可以计算IGBT (U）和FWD (X) 的损耗。 在DC-lock DC lock下，通过调制比可以计算出所需占空比，公式如下所示。 下 通过调制比可以计算出所需占空比 公式如下所示
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设定IGBT型号
点击菜单 ”Select IGBT” Series ： 从下拉列表中选择系列名 (U-系列，S-系列，…) yp ： Type
从下拉列表中选择IGBT型号
Recommended device 点击 按钮, 使用模糊 搜索，通过变频器条件(电压和功 率)或者IGBT系列和封装类型来选 择合适IGBT型号。
Ton IGBT on Toff
IGBT off
占空比 =
Ton Ton + Toff
勾选“DC LOCK”
英飞凌变频器设计IGBT选型指南-仿真工具
Dimensioning program IPOSIM for loss and thermal calculation of Infineon IGBT modules
Introduction IPOSIM performs an approximate calculation of switching and conduction losses for IGBTs and free-wheeling diodes in a three phase inverter configuration under the assumption of sinusoidal output currents at inductive loads. With this tool a quick selection of a suitable Infineon IGBT module for an application is possible taking into account its average losses and thermal ratings. Be sure to always have the latest IPOSIM version on-hand. The actual program is available on
T0 / 2
Psw,IGBT = f sw,IGBT ⋅
1 T0
∫ (E
0
on
+ E off )( t, ˆ i )dt
Using the measured turn-on and turn-off energy dissipation per switching pulse (given in the datasheets at nominal current Inom) the energy of the single switching event at a temporary current i can be assumed linear. Furthermore the applied DC-link voltage at several applications may vary from the nominal DC voltage used for the determination of the losses. The practice shows, that a linear adjustment of the losses within a certain limit of the nominal voltage (here ± 20% ) is permissible.
simplore中仿真功率模块损耗
simplore中仿真功率模块损耗简述中的仿真功率模块损耗简介：在电力系统中，为了保证系统的安全稳定运行，需要对发电机、变压器、线路等设备进行仿真计算和分析。
而在进行这些仿真计算时，需要考虑到各个设备的功耗问题。
本文将以simplore中的仿真功率模块损耗为主题，介绍该模块的作用、实现方式以及损耗计算方法。
一、模块作用simplore中的仿真功率模块主要用于计算电力系统中各个设备的损耗。
通过对设备的电流、电压、功率因数等参数进行仿真计算，可以得出设备在运行过程中的功耗情况，从而为系统运行和优化提供参考依据。
二、模块实现方式simplore中的仿真功率模块基于电力系统的拓扑结构和设备参数，利用电路理论和数值计算方法，对系统中的各个设备进行仿真计算。
具体实现方式如下：1. 数据输入：用户需要提供电力系统的拓扑结构、设备参数以及负荷情况等基本信息。
这些信息可以通过simplore中的GUI界面进行输入。
2. 仿真计算：根据输入的系统信息，simplore中的仿真功率模块会根据电路理论和数值计算方法，对系统中的各个设备进行电流、电压、功率因数等参数的计算。
3. 损耗计算：根据计算得到的设备参数，simplore中的仿真功率模块会进一步计算出设备的损耗情况，包括有功损耗、无功损耗等。
三、损耗计算方法在进行设备的损耗计算时，simplore中的仿真功率模块采用了多种计算方法，包括：1. 线性近似法：对于一些简单的设备，可以采用线性近似法进行损耗计算。
该方法基于设备的参数和运行情况，通过简单的线性关系来估算设备的功耗。
2. 迭代法：对于一些复杂的设备，由于设备的参数和运行情况之间存在非线性关系，需要采用迭代法来进行损耗计算。
该方法通过多次迭代计算，逐步逼近设备的真实功耗。
3. 数值模拟法：对于一些特殊的设备，由于存在复杂的物理过程，需要采用数值模拟法进行损耗计算。
该方法通过建立设备的物理模型，利用数值计算方法对设备的功耗进行模拟和计算。
混合动力汽车功率模块的功率损耗计算和热仿真要点
混合动力汽车功率模块的功率损耗计算和热仿真通常，混合动力汽车同时具备内燃机引擎和电力马达驱动系统，并利用功率半导体模块来实现电力马达的速度调节。
通常功率半导体模块在车辆上的冷却方式主要为风冷和液态冷却。
不同汽车制造商设计的混合动力系统大相径庭，直接并无可比性。
除冷却系统之外，功率半导体模块封装甚至半导体技术本身都各不相同。
为了使这些系统更具可比性，本项研究采用了一个适用于不同冷却系统的、被称为HybridPACK的通用“基础功率模块”。
在配置中采用了一套基本输入参数集，例如行驶循环、电机类型、甚至半导体的电气特性等。
同时，为简化计算，忽略了不同驾驶策略的影响。
在电力电子系统中，功率半导体模块温度及温度波动对可靠性有较大的影响。
为此，基于功率半导体模块的功率损耗计算和热仿真模型。
开发了一个程序来计算整个行驶循环期间的温度。
通过计算出从功率半导体模块至冷却系统的温度分布，可以评估出模块各部分受到的热应力，诸如焊接点或键合点等。
通过将热应力转换为可靠性试验数据，可以预测出功率半导体模块的使用寿命。
从行驶循环到可靠性试验可靠性试验在使用寿命期内，模块要承受环境（气候）造成的被动温度波动，及因模块运行发热造成的主动温度循环。
温度循环和功率循环试验，可以模拟以上几种情况对模块寿命的影响。
温度循环：在温度循环试验中，在没有电气应力的情况下，改变功率半导体模块的环境温度，包括对（TST：热冲击试验）和（TC：热循环试验）。
这项实验主要用于评估焊接点的可靠性，及评估模块在贮存、运输或使用过程中对可能发生的温度突变的耐受性。
功率循环：功率循环（PC）试验可用于确定功率模块内部半导体芯片和内部连接点焊接，在通过周期性电流时，对热应力和机械应力的耐受性。
周期性施加电流会导致温度快速变化，会导致绑定线机械位置波动。
功率循环试验对高温条件下的工作寿命预期分析具有代表性[1]。
热应力造成的主要故障是IGBT模块的内部焊接疲劳和焊接线脱落。
IGBT损耗仿真软件使用说明
IGBT损耗仿真软件使用说明IGBT损耗仿真软件是一种用于模拟和预测绝缘栅双极型晶体管（IGBT）损耗的软件工具。
IGBT是一种常用的功率半导体器件，广泛应用于各种交流和直流电源，电力变换以及电力电子应用中。
准确地预测和评估IGBT的损耗对设备的设计和性能至关重要。
以下是IGBT损耗仿真软件的使用说明：2.创建新项目：打开软件后，你可以选择“新建项目”创建一个新的仿真项目。
在项目名称和路径中输入所需的信息，并确保选择正确的IGBT模型和损耗模型。
4.设置仿真参数：在导入了IGBT模型后，你可以设置仿真参数，包括输入电压和电流波形、温度、开关频率等。
这些参数将影响到仿真结果的准确性和可靠性，因此需要根据实际情况进行设置。
5.运行仿真：在设置好了仿真参数后，你可以点击“运行仿真”按钮开始进行仿真。
软件将根据你所设定的参数和模型，模拟和计算出IGBT 的损耗情况。
仿真时间的长短取决于你设定的仿真时间和频率。
6.分析结果：仿真完成后，软件将生成一个仿真结果报告，其中包括IGBT的损耗值、电压和电流波形、温度分布等。
你可以通过查看报告来评估和分析IGBT的性能和损耗情况，以便进行进一步的改进和优化。
7.优化设计：根据仿真结果报告的分析，你可以确定IGBT的性能和损耗是否满足设计要求。
如果发现了性能不足或损耗过大的问题，你可以通过优化设计来改进。
这可能涉及到更换更适合的IGBT模型、调整电路设计、改变工作条件等。
8. 导出数据：除了报告之外，软件还可以导出仿真数据供进一步分析和处理。
你可以将数据导出为Excel或其他格式，以便在其他软件中进行更详细的分析。
总结：IGBT损耗仿真软件是一种强大的工具，能够帮助工程师准确地预测和评估IGBT的损耗情况。
然而，为了获得准确和可靠的仿真结果，需要正确设置仿真参数、导入合适的IGBT模型以及正确分析和优化设计。
希望以上的使用说明能够对你在使用IGBT损耗仿真软件时提供帮助。
IGBT模块开关过程损耗仿真研究
ＩＢ Ｇ Ｔ在 开 关 过 程 中的 电 压 电 流
波 形 得 到 了开 关过 程 中的 功 率 损 耗 和 能 量损 失 曲线 ，并根 据 所得 结 果 分 析 了Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ模 块 的 热特 性 和 损 坏 机 理 。对Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ的 实 际 运 用提 出 了
具 有 指 导 意 义 的 保护 措 施 。 关键 词 ：Ｓ ＩＥ建模 ； 仿 真 ； 开 关 损 耗 ； 热 特性 ＰＣ 中 图分 类 号 ：Ｔ ４ ４ Ｇ ３ 文 献标 识码 ：Ａ ・
维普资讯
４ ・ Ｏ 焊接 设 备 与材 料 ・
文 章编 号 ：０ ２ ０ ５ ２０ ０ 一Ｏ Ｏ ０ １０ — ２ Ｘ（０６）６ Ｏ ４ 一 ３
焊接 技 术
第３ ５卷 第 ６期 ２ ０ ０ ６年 １ ２月
Ｉ Ｂ 模 块 开 关 过 程 损 耗 仿 真 研 究 Ｇ Ｔ
林 顿 结 构 复 合 而 成 的功 率 器 件 。考 虑 到Ｉ Ｂ 器 件 的 非 线 性 电 ＧＴ 容 和击 穿 效 应 ，文 献 【１ 出 ＴＩ Ｂ 完 整 的ＩＡ ，子 电路 ，如 ｌ】 给 ＧＴ Ｃ Ｐ４ 图 １ 示 。 这个 模 型 可 以 精 确 地 仿 真 开 关 损 耗 、非 线 性 电容 效 所 应 、通 态 电 压 正反 向击 穿 、开通 关 断 延 迟 上升 时间 和 拖 尾 电流 以及 外 特 性 曲 线 。
【Ｏ ｌ］张 新 平 ， 史耀 武 ， 耀 文 ． 基 非 晶 态 及 晶 态 钎 料 真 空 钎 焊 工 艺 性 任 镍
【］ 陈 光 ， 恒 志 ． 平 衡 凝 固 新 型 金 属 材 料 【 ． 京 ： 学 出 版 ５ 傅 非 Ｍ］ 北 科
ＩＢ 模 块 的 电 路 仿 真 模 型 是 近 十 几 年 来 国 际 电 力 电 子 学 ＧＴ 领域 研 究 的热 点 之 一 ． 目前 已经 提 出 的 ＩＢ 仿 真 模 型 大 体 可 Ｇ Ｔ
IPOSIM6-2c_(英飞凌IGBT仿真软件中文版)
379350538.xls 英飞凌IGBT模块功率仿真 V6.2c July 2008适用于三相逆变应用中的模块选型输出电流为正弦时的平均损耗所选模块BSM75GB120DLCdata sheet 限制:直流母线电压 Vdc [V]600600输出电流有效值 Irms [A]100100输出频率 f0 [Hz]5050开关频率 fs [Hz] 60006000最高结温 Tj [°C] 125125壳温 Tc [°C]8080调制比 m 1.00 1.00负载功率因素 cos φ 1.00 1.00建议最小门极电阻 Rg [Ω]12模块引线电阻 RCC'+EE' [m Ω]IGBT通态损耗 [W]121IGBT开关损耗 [W]59S 181二极管通态损耗 [W]08二极管开关损耗 [W]17S 25曲线图基于 典型的 Tj=125°C时的器件数据曲线图的意义:蓝色（红色）实线和蓝色（红色）虚线的交点所对应的横轴数据代表了在给定工作条件下IGBT（二极管）所允许的最大相输出电流有效值。
1 Hz ≤ f0 ≤ 1000 Hz 应用参数:仿真参数:请在绿色区域内输入变频器的规格:额定电压 600 V +-20% 480 V ≤ Vdc ≤ 720 V 输出电流为正弦时的平均损耗 6000 Hz 开关频率时BSM75GB120DLC 相输出电流有效值 [Arms]-1 ≤ cos φ ≤ 15 x f0 ≤ fs ≤ 10000 x f0-40 °C ≤ Tj ≤ 125°C -40 °C ≤ Tc ≤ Tj 0 ≤ m ≤ 4/π平均损耗 P a v [W ]Irms ≤ sqr(2)*Inom = 106 A 050100150200250020406080100120Losses (IGBT) / W Losses (diode) / W Losses per switch (IGBT + diode) / W max. losses (IGBT) @ Tcase=80°C max. losses (diode) @ Tcase=80°C。
IGBT损耗仿真软件使用说明
PIGBT
Rth(c-f)
PFWD Ploss
Tf
Rth(f-a) Ta
Ploss_f
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DC-Lock条件下损耗计算
在直流锁定（DC-lock DC lock）状态下的电流路径由下图表示，输出电流为直流电流 (Ic)。 在此状态下, 可以计算IGBT (U）和FWD (X) 的损耗。 在DC-lock DC lock下，通过调制比可以计算出所需占空比，公式如下所示。 下 通过调制比可以计算出所需占空比 公式如下所示
负载循环编辑按钮
选择结温 Tj显示模式
最大值： 最大值曲线显示 最大值 最大值曲线 平均值： 平均值曲线显示
负载循环编辑按钮 负载循环编辑按 增加不同的负载模式 (模式最大值数量: 25) 删除已有负载模式 调整已有负载模式
计算。
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显示所选择的设备信息
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设定散热器参数和环境温度
点击菜单 “Select S l Heat sink” i k”
输入所使用散热器热阻Zth(f-a)和环境温 度Ta。 也可以通过输入变换器容量(KVA)并点 击 按钮，这样能自动计算
环境温度设定
所需热阻Rth(f-a)。 修正系数： 修正暂态电阻和时间常数的系数。
Tj，Tc，Tf仿真波形
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和其它仿真软件的性能比较
○：已实现功能， △：部分实现功能， ×：未实现功能 竞争对手I 竞争对手S 竞争对手M (v. 6.1d) (v. 3.0.12) (v. 3) 提供形式 Excel ・三相PWM 变换器 不能选择 × ○ ○ ○ △※1 ○ × ○
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。
基于开关暂态模型的IGBT功率损耗计算
基于开关暂态模型的 IGBT 功率损耗计算
王白音其其格 张卫东 1.河套学院，内蒙古 巴彦淖尔 015000 2.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206
摘要：功率器件的损耗对开关电路效率有直接影响，并对器件参数和散热装置的选择起至关重要的作用。对 IGBT 建立了开关 暂态模型，并利用 PSPICE 软件对其进行了动态特性仿真。在此基础上结合 PSPICE 和 MATLAB 软件对模型进行了功率损耗的计 算,计算结果与厂家数据对比验证了方法的正确性。 关键词：绝缘栅双极型晶体管；开关暂态模型；PSPICE 仿真；功率损耗 中图分类号： TN386.2 文献标识码： A 文章编号：1671-5861(2015)24-0204-03 IGBT （ Insulated Gate Bipolar Transistor ）结合了 高压大电流晶闸管制造技术与集成电路微细加工技术，具有 良好的综合性能。 它兼具有功率 MOSFET 高速开关特性和 GTR 的低导通压降特性两者的优点，是发展最快而且很有前途的 的一种复合器件。IGBT 作为开关器件工作时，在开通、关断 瞬时会产生很大的开关损耗，尤其工作频率较高时，开关损 耗将大大超过 IGBT 通态损耗， 造成内部结温增高， 并对 IGBT [1] 的安全形成威胁 。 [2-4] 国内外多个学者在研究开关器件的功率损耗 。 而现有 的 IGBT 开关损耗方面的文献[5-7]中，大多数都采用拟合的 方法得出 IGBT 开关暂态电压、电流的近似表达式，再进行 积分运算得到开关损耗。这种计算方法的缺点是对开通、关 断过程中的电压、电流波形的描述不够准确，利用开关暂态 [8] 时域波形计算开关损耗时存在近似处理 。 因为 IGBT 开通、关断持续时间往往会很短，如何得到 较准确的电压、电流波形是准确计算开关损耗的关键问题。 本文建立了 IGBT 开关暂态模型，并利用 PSPICE 软件仿真得 到了 IGBT 开关动态特性曲线， 再结合使用 PSPICE 和 MATLAB 软件对 IGBT 开关损耗进行了计算和验证。 1 IGBT 开关暂态模型 IGBT 截面及内部电路如图 1 所示，图中包括了 IGBT 所 有内部寄生电容。图中栅-源极间电容为 C ge ，栅-漏极间电 容为 C gd ， 它由交叠氧化电容 Coxd 及耗尽层电容 C gdj 串联 构成，其中 C ge 、 Coxd 的值不变，耗尽层电容 C gdj 的值直 接受栅-漏极耗尽区宽度大小的影响，它们之间是反比关系， 而耗尽层的宽度与栅-漏极间电压的平方根 图1 IGBT 截面及内部电路
基于PSpice的IGBT器件模型及功率损耗的仿真研究的开题报告
基于PSpice的IGBT器件模型及功率损耗的仿真研究的开题报告1. 研究的背景与意义随着电力电子技术的不断发展，功率半导体器件的应用越来越广泛。
IGBT是一种常用的功率晶体管，具有低导通电阻和高抗回馈电压的特点，被广泛应用于交流调速、直流变换等领域。
为了更好地应用IGBT，需要对其进行建模和仿真研究。
目前，常用的IGBT模型有经典的Gummel-Poon模型和Physically-based模型。
同时，IGBT在开关过程中会产生功率损耗，对系统稳定性和效率有直接影响，因此对其功率损耗的分析和评估也很重要。
本研究旨在基于PSpice平台，建立IGBT器件模型并进行功率损耗仿真研究，提高IGBT在电力电子领域的应用水平和性能。
2. 研究的内容和方法本研究计划采取以下步骤：（1）对常用的IGBT模型进行比较和分析，选择合适的模型进行建模；（2）基于PSpice平台，建立IGBT器件模型，包括电路拓扑结构、传输方程、边界条件等；（3）进行IGBT在电路中的应用仿真，验证模型的准确性和可行性；（4）对IGBT的功率损耗进行仿真研究，包括导通损耗和开关损耗，并对其影响因素进行分析和评估；（5）通过实验验证，验证模型的有效性和仿真结果的准确性。
3. 研究的预期目标和意义本研究的主要目标是建立基于PSpice平台的IGBT器件模型，通过仿真研究IGBT的功率损耗，提高IGBT的应用水平和性能，具体来说，本研究的预期目标如下：（1）建立精确可靠的IGBT器件模型，对IGBT进行准确的仿真计算；（2）通过仿真研究IGBT功率损耗的影响因素，为IGBT性能的优化提供理论参考；（3）通过实验验证，验证模型的有效性和仿真结果的准确性；（4）对IGBT应用于电力电子领域的推广和发展提供有力的支持。
总之，本研究对于提高IGBT的应用水平和性能具有重要意义。
IGBT热仿真软件操作方法
ic
θ
功率因数: cosθ
根据具体应用
ICP : 最大峰值电流
根据具体应用
VEC @IO
根据data-sheet
1 = 2π
∫π
2π
( E rr (@ I EP × sin X )) f C dX
E
i
Err iC
T=1/fC
t
IEP
Recovery loss
ΔT(j-c)Q
ΔT(c-f)
ΔT(j-c)Q=PIGBT × Rth(j-c)Q
ΔT(j-c)R=PFWD × Rth(j-c)R
Rth(c-f)
具体应用中散热器表面温度(Tf)
ΔT(c-f)=(PIGBT + PFWD )×Rth(c-f)
散热器
7-13
ΔT(j-c)R
Rth(j-c)R
结温计算 结温计算
条件を入力 ③工作条件
仿真结果
7-28
120度直流无刷变频器的功耗仿真 120度直流无刷变频器的功耗仿真 典型控制时序 典型控制时序
输出电流波形
上桥臂120度内斩波 下桥臂常开120度
7-29
计算P侧IGBT和N侧FWD的损耗 计算P侧IGBT和N侧FWD的损耗
每一个P侧IGBT的 损耗。但是在 DC120控制中，该 值需要除3。 每一个N侧续流二 极管的损耗。但是 在DC120控制中， 该值需要除3。 P侧IGBT的温升。但 是在DC120控制中， 该值需要除3。 N侧续流二极管的温 升。但是在DC120控 制中，该值需要除3。 仿真软件截图
VCE(sat)
Io
ic
θ
功率因数:cosθ
根据具体应用
7-9
基于IPOSIM的IGBT功率损耗仿真
基于IPOSIM的IGBT功率损耗仿真基于IPOSIM的IGBT功率损耗仿真【摘要】IGBT作为一种功率半导体器件，在电能应用邻域得到广泛应用。
在IGBT的使用过程中，要求功率开关器件降低损耗、提高效率、提高性能。
本文就IGBT的损耗计算方法作了简要介绍，并就英飞凌IGBT作了功率损耗的仿真分析。
【关键词】IGBT 功率损耗计算方法仿真The Simulation of The Power Loss for IGBT Base on IPOSIM（The 722 Research Institute of CSIC Hubei Wuhan 430205）Abstract：As a power semiconductor device，IGBT is widely used in the application of electric fields. During the use of IGBT，Request power switching device to reduce losses，improve efficiency and performance. This article briefly describes the loss calculation method on the IGBT，and made a simulation analysis of the power loss on Infineon IGBT.Keywords：IGBT；power loss；calculation method；simulation一、引言绝缘栅晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT）是由BJT（双极型晶体管）和MOSFET（绝缘栅型场效应晶体管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件，既具有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有BJT的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。
(参考资料)IGBT热仿真建模分析
IGBT功率管热仿真工作总结一、【问题描述】：大功率IGBT是我司产品中的常用器件，尤其是在功率模块中，例如风能功率模块，光伏逆变器等。
在这些产品中，IGBT有一个共同特点：功率密度大，工作温度高。
如果不能建立有效的散热途径，将热量散出，IGBT工作温度超过允许值，就会损毁。
在产品设计的初始阶段，如何利用仿真手段准确评估IGBT的结温，建立有效的散热途径就成为热设计工程师急需解决的问题。
二、【原因分析】：IGBT芯片Diode芯片图1 IGBT内部结构图硅凝胶DBC图 2 IGBT内部芯片焊接结构简图IGBT内部结构如图1所示，发热器件由多组芯片组成，每一组芯片由一个IGBT芯片和一个Diode（二极管）芯片组成（视具体情况而定，有些IGBT中，一组芯片中IGBT 芯片数和Diode芯片数不同）。
图1中绿色方框中的为IGBT芯片，黄色方框中的为Diode 芯片。
如图2所示，IGBT芯片和Diode芯片正上方是一层厚度约5mm ，导热系数为0.15W/m.K的透明硅凝胶；芯片直接焊接在DBC层上，DBC层再焊接在铜基板表面。
DBC层由0.38mm厚氧化铝陶瓷片上下紧密贴附0.3mm厚铜皮组成（DBC的具体结构和制造厂家有关，另外相同厂家不同型号的产品具体结构也不相同，本文只介绍一种典型的结构）。
由于芯片上部的硅凝胶导热系数很小，芯片产生的热量主要通过下方的铜基板传到散热器上。
芯片和散热器之间的热阻分布如图3所示，归纳起来可分为两部分：①结壳热阻（芯片到铜基板的热阻）；②壳到散热器的热阻（铜基板和散热器之间的热阻）。
热流方向图3 IGBT热阻网络图IGBT的最高使用温度和热阻数据可以从厂家提供的器件资料中查到。
通常产品中使用的IGBT管子（一个桥臂）实际是将两个IGBT封装在一起，如图4所示。
厂家给定的热阻值可能是其中一个IGBT的值，也可能是整个IGBT管子（一个桥臂）的热阻，根据具体资料确定。
以英飞凌FF1000R17IE4为例，FF1000R17IE4管子内部共有12组芯片（一组芯片包含一个IGBT芯片和一个Diode芯片；一个IGBT有6组芯片）。
基于Simplorer的IGBT模块建模与仿真
基于Simplorer的IGBT模块建模与仿真一、IGBT模块建模过程,以英飞凌IGBT模块FF400R06KE3为例1、选取高级模型，如图1.图12、根据IGBT数据手册查找相对应的参数,具体参数如图2所示。
该模块包含两个单管，所以单个IGBT正常工作电压为300V.图2 3、同样查找、填写参数，如图3.图34、提取文档中Ic=f（Vge）的图片,分别提取25℃、150℃的对应关系。
图4图5 Ic=f（Vge)拟合曲线与文档曲线对比图5、提取文档中Ic=f(Vce)的图片，分别取Vge为13V、15V。
图6图7 Ic=f（Vce）拟合曲线与文档曲线对比图6、提取文档中If=f（Vf)的图片，分别提取25℃、150℃的对应关系图8图9 If=f(Vf)拟合曲线与文档曲线对比图7、隔热设置图108、在文档中找到对应参数填入，执行后生成测试电路,如图11—13。
图11图12图13二、 IGBT模块 FF400R06KE3模型的电路测试与应用仿真1、自动生成的测试电路如图14所示，仿真时间设置如图15.图14图15图16 栅级驱动波形图17 Vce电压图18 开通过程IGBT过电流波形测试波形证明设计的IGBT符合使用要求，并且工作良好，满足快速性的动态要求，而且可以突出管子内部寄生电感电容参数对开关过程的影响。
可以从二次开通的过电流看出。
同时,在12us的时刻IGBT关断过程中的电流拖尾现象可以很早地被仿真出来。
2、IGBT双脉冲测试电路如图18所示。
其中电源电压设置为100V。
t0时，门极电压拉高，VT2饱和导通，电源电压加到电感上，电感电流线形上升,如图21所示。
T1时刻，VT2关断电感电流通过上管二极管续流。
T2时刻，第二个脉冲到达，VT2开通，VT2续流二极管出现反向恢复,如图22所示，t2时出现了一个大约为1A的电流尖峰即为反向恢复电流。
其中t0与t2时刻，观察IGBT的关断过程，由于杂散电感的存在，电流急剧变化会在管子产生电压尖峰。
基于PSPICE仿真的IGBT功耗计算
伺服技术・SERV O TECHN IQUE基于PSP I CE 仿真的IGBT 功耗计算收稿日期:2003-05-28曹永娟 李强 林明耀(东南大学电气工程系,南京 210096)摘 要:基于PSP I CE 仿真,结合无刷直流电机提出了IGBT 功率损耗的估算方法,研究了IGBT 功率损耗与开关频率和栅极电阻阻值之间的关系。
关键词:功耗;IGBT ;仿真;中图分类号:T P 211.5 文献标识码:A 文章编号:1001-6848(2004)06-0040-02M ethod of esti m a ti ng Power loss of IGBT ba sed on PSP I CE Si m ula tionCAO Yong -juan ,L I Q iang ,L I N M ing -yao(Southeast U niuersity ,N anjing 210096,Ch ina )Abstract :In th is paper .a m ethod of esti m ating pow er lo ss of IGBT based on PSP I CE si m ulati on is p ropo sed ,and the relati ons betw een pow er lo ss of IGBT and s w itch frequency ,gate resistance are p resented .Key words :pow er lo ss ;IGBT ;si m ulati on1 IGB T 电路仿真模型图1所示是三相星形连接的无刷直流电机的全控电路。
T 1,T 2…T 6为6只IGB T 绝缘栅晶体管,S 1,S 2…S 6为6个控制信号。
本电路采用两两导通六状态运行方式,同时PWM 调制采用上桥臂调制下桥臂恒通的调制方式,这样可以降低逆变器的开关损耗。
基于PSPICE仿真的IGBT功耗计算
基于PSPICE仿真的IGBT功耗计算
曹永娟;李强;林明耀
【期刊名称】《微电机》
【年(卷),期】2004(37)6
【摘要】基于PSPICE仿真,结合无刷直流电机提出了IGBT功率损耗的估算方法,研究了IGBT功率损耗与开关频率和栅极电阻阻值之间的关系.
【总页数】3页(P40-41,57)
【作者】曹永娟;李强;林明耀
【作者单位】东南大学电气工程系,南京,210096;东南大学电气工程系,南
京,210096;东南大学电气工程系,南京,210096
【正文语种】中文
【中图分类】TP211.5
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1.电动汽车电机控制器IGBT模块功耗和温度计算 [J], 彭金城;潘春良;何葵;储祖江
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基于FPGA的IGBT开关特性仿真算法优化及实时仿真研究
基于FPGA的IGBT开关特性仿真算法优化及实时仿真研究张照彦;王兵树;王兴武
【期刊名称】《系统仿真学报》
【年(卷),期】2015(0)1
【摘要】根据IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)特性建立其开关暂态模型,其较准确的描述了IGBT开关过程中的电磁变化规律,模型精度较高。
结合实时仿真的要求提出模型优化方法:单周期延时法和函数查表法;给出FPGA(Field-Programmable Gate Array)实现算法优化的具体方法。
搭建以FPGA为核心的实时仿真电路平台,仿真数据与实际测试数据基本一致。
基于FPGA的IGBT开关特性实时仿真解决了采用传统处理器仿真无法表征IGBT开关暂态时电压、电流动态变化过程的难题,克服了商业仿真软件实时性较差,仅能应用于离线状态下器件仿真的不足,实现了电力电子的器件级仿真,同时实时仿真精度大幅提高。
【总页数】8页(P209-216)
【作者】张照彦;王兵树;王兴武
【作者单位】华北电力大学自动化系;华北电力大学仿真与控制技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN791;TN322.8
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基于IPOSIM的IGBT功率损耗仿真【摘要】IGBT作为一种功率半导体器件，在电能应用邻域得到广泛应用。
在IGBT的使用过程中，要求功率开关器件降低损耗、提高效率、提高性能。
本文就IGBT的损耗计算方法作了简要介绍，并就英飞凌IGBT作了功率损耗的仿真分析。
【关键词】IGBT 功率损耗计算方法仿真The Simulation of The Power Loss for IGBT Base on IPOSIM（The 722 Research Institute of CSIC Hubei Wuhan 430205）Abstract：As a power semiconductor device，IGBT is widely used in the application of electric fields. During the use of IGBT，Request power switching device to reduce losses，improve efficiency and performance. This article briefly describes the loss calculation method on the IGBT，and made a simulation analysis of the power loss on Infineon IGBT.Keywords：IGBT；power loss；calculation method；simulation一、引言绝缘栅晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT）是由BJT（双极型晶体管）和MOSFET（绝缘栅型场效应晶体管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件，既具有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有BJT的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。
IGBT是近年来电力电子领域中最令人注目和发展最快的一种器件[1]。
IGBT的损耗分为两类，一类是器件的导通损耗；另一类是从通态向断态（从断态向通态）转换的开关损耗[2]。
因此，IGBT的损耗计算和损耗仿真对系统设计至关重要。
二、IGBT模块的功率损耗为了便于分析，将IGBT损耗分为导通损耗和开关损耗。
另外，开关损耗也可分为两类：具有理想二极管时IGBT的开关损耗和考虑二极管反向恢复时间时IGBT的开关损耗。
IGBT 导通时，如果电流为方波脉冲，那么导通能量就等于电流、电压降和导通时间三者之积。
IGBT在任意电流和温度时的最高电压降，可按以下两步得到：首先，从IGBT模块集电极发射极饱和电压与壳温的关系曲线上找出能满足所需电流的集电极-发射极饱和电压[3]。
然后，为了得到最大压降，在给定结温下从该曲线上得出的电压降必须乘以电气特性表中给出的最大值与典型值之比。
如果栅极驱动电压不是15V，最大压降值还需要些修正，修正系数可参考器件公司的IGBT 设计手册。
如果电流不是方波脉冲，导通损耗只能用积分计算。
这样必须建立电流波形和电压降的数学表达式，这些函数关系可参考器件公司的IGBT设计手册[4]。
在负载为电感的电路中，开关导通引起续流二极管反向恢复，同时开关器件中产生很大的电流尖峰，从而使IGBT和续流二极管的开关损耗增加[5]。
考虑到二极管反向恢复引起的开关损耗，IGBT总的开关损耗可从下式绐出：三、IGBT模块的损耗特性IGBT元件的损耗总和分为：导通损耗与开关损耗。
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的损耗如图1所示。
续流二极管的反向恢复损耗如图2所示：（1）IGBT导通损耗IGBT开通后，工作在饱和状态下，IGBT集射极间电压基本不变，约等于饱和电压VCE（sat）。
IGBT通态损耗是指IGBT 导通过程中，由于导通压降VCE（sat）而产生的损耗。
IGBT的导通损耗：Pcond= d×VCE（sat）×IC，其中d为IGBT的导通占空比。
IGBT饱和电压的大小，与通过的电流IC，芯片的结温Tj和门极电压有关Vge。
英飞凌的IGBT模块规格书里给出了两个测试条件下的饱和电压特征值：（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。
电流均为IC，nom（模块的标称电流），Vge=+15V。
（2）IGBT开关损耗IGBT之所以存在开关能耗，是因为在开通和关断的瞬间，电流和电压有重叠期。
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）可以通过间接地将电流和电压相乘再对时间积分这种方法得到，同时需考虑实际电流与参考电流之间的差异。
在VCE与测试条件接近的情况，Eon和Eoff可近似地看作与IC和VCE成正比：Eon=EON×IC/×IC，nom×VCE测试条件Eoff=EOFF×IC/×IC，nom×VCE测试条件IGBT的开关损耗：PSW=FSW×（Eon+Eoff），PSW为开关频率。
IGBT开关能耗的大小与开关时的电流（IC）、电压（VCE）和芯片的结温（Tj）有关。
英飞凌的IGBT模块规格书里给出了两个测试条件下的开关能耗特征值：（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。
电流均为IC，nom（模块的标称电流）。
（3）续流二极管开关损耗反向恢复是续流二极管的固有特性，发生在由正向导通转为反向阻断的瞬间，表现为通过反向电流后再恢复为反向阻?嘧刺?。
在Vr与测试条件接近的情况，Erec可近似地看作与If和Vr成正比：Erec=EREC×If/IF，NOM×Vr测试条件续流二极管的开关损耗：Prec=fSW×EREC，fSW为开关频率。
续流二极管反向恢复能耗的大小与正向导通时的电流（If）、电流变化率dIf/dt、反向电压（Vr）、和芯片的结温（Tj）有关。
英飞凌的IGBT模块规格书里给出了两个测试条件下的开关能耗特征值：（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。
电流均为IF，NOM （模块的标称电流）。
四、IGBT模块损耗总结IGBT 的导通损耗：（1）与IGBT芯片技术有关（2）与运行条件有关：与电流成正比，与IGBT占空比成正比，随Tj 升高而增加（3）与驱动条件有关：随Vge的增加而减小。
IGBT 的开关损耗：（1）与IGBT芯片技术有关（2）与工作条件有关：与开关频率、电流、电压成正比，随Tj升高而增加（3）与驱动条件有关：随Rg的增大而增大，随门极关断电压的增加而减小。
续流二极管的导通损耗：（1）与续流二极管芯片技术有关（2）与工作条件有关：与电流成正比，与续流二极管占空比成正比。
续流二极管的开关损耗：（1）与续流二极管芯片技术有关（2）与工作条件有关：与开关频率、电流、电压成正比，随Tj升高而增加。
五、IGBT功率损耗仿真IPOSIM是一款用来近似计算三相逆变器中IGBT和续流二极管的导通损耗和开关损耗的仿真软件，IPOSIM的假设条件是三相逆变器在感性负载的条件下输出正弦波电流。
利用IPOSIM可以帮助快速选取具有适当的平均损耗和热额定值的英飞凌IGBT。
直流电压、输出频率、最大结温、期望温度、调制系数和cos φ可以适用于不同的操作要点。
IPO- SIM拥有友好的界面，轻易使用，功能丰富，不需要其它软件平台来支持运行等很多优点。
它能够计算基于正弦输出电流条件下IGBT和续流二极管的导通损耗和开关损耗，进而分析其温度特性。
本文选取英飞凌FF300R12KE4作为功率损耗仿真器件。
英飞凌FF300R12KE4仿真参数如下表所示：直流电压选取为600V，有效值电流300A，频率50Hz，开关频率2000Hz，最大结温125℃，外壳温度80℃。
IGBT功率损耗和续流二极管功率损耗分别如下表所示：从图中可以看出IGBT和续流二极管的功率损耗随有效值电流的增大而增大，IGBT的功率损耗随电流增长较快。
总结：经仿真研究可知，IGBT在工作的过程中具有较大稳态损耗和开关损耗，有效电流300A、最大工作电压1200V 的IGBT功率损耗可以达到几百瓦，且随着工作电流的增大而呈指数增加，造成内部结温快速升高，为IGBT的安全工作埋下隐患。
因此，IGBT在应用时，需要在额定工作电压、电流、温度的基础上留出足够的裕量，且注意做好过压，过流，过温的检测，在保证IGBT稳定可靠工作的同时，尽量降低IGBT 的损耗，提高性能。
IGBT的功率损耗仿真对器件选型具有重要的意义。
参考文献[1] 熊妍，沈燕群，江剑，何湘宁.IGBT损耗计算和损耗模型研究[J].电源技术应用，2006（05）：55-60.[2] 王烨，常喜茂，姜栋栋，王建.关于IGBT模块损耗的研究[J].仪器仪表与分析监测，2011（03）：24-27.[3] 张明元，沈建清，李卫超. 一种快速IGBT损耗计算方法[J].船电技术，2009：33～36.[4] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2006：29～83.[5] 穆怀宇. 基于PSpice的IGBT建模与损耗仿真分析.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2013.。