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。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