IGBT热仿真软件操作方法

7-25
斩波控制模式 斩波控制模式
ton toff
Duty = ton/(ton+toff)
Duty=Modulation Ratio/2 +0.5
7-26
整流器
AC (50/60Hz)
DB
3相变频器的功耗 3相变频器的功耗 (电机堵转) (电机堵转)
逆变器
P
On
Up Vp Wp
电机
U
C Un Vn Wn V N W
7-23
3相调制和2相调制的区别 3相调制和2相调制的区别
変調率=1.1547 変調率=1.12 変調率=1.09 変調率=1.06 変調率=1.03 変調率=1.0 変調率=0.9 変調率=0.8 変調率=0.7 変調率=0.6 変調率=0.5 変調率=0.4 変調率=0.3 変調率=0.2 変調率=0.1 変調率=0.0
VCE(sat)
Io
ic
θ
功率因数:cosθ
根据具体应用
7-9
ICP : 最大集电极 峰值电流
根据具体应用
VCE(sat) @IO
根据data-sheet
2) IGBT 开关损耗
P IGBT − SW
1 = 2π
∫
π
0
( E SW ( ON ) (@ I CP × sin X ) + E SW ( OFF ) (@ I CP × sin X )) × f C dX
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
E E
Esw(off)
i
Esw(on
)
T=1/fC
t
i IO IO
i
Esw(on) at IO
根据data-sheet
Esw(off) at IO
根据data-sheet
fC : Carrier freq.
根据具体应用
3) IGBT 总功耗
P IGBT = P IGBT − DC + P IGBT − SW
二 相 変 調
線間電圧
0
U
V
0%
-VCC
7-24
3相调制的调制率和电压利用率 3相调制的调制率和电压利用率
Vo(line to line)(RMS) / Vcc
Square wave
0.78
T
0.61
调制率 (ma) = Hs/Ht
Hs
Ht
linear
过调制
方波
0
1
3.24
ma
Melcosim 使用的线性 调制率: ma(max) =1
1) IGBT 静态损耗
P IGBT − DC 1 = 2π
∫
π
0
1 + D × sin( X + θ ) dX ( I CP × sin X ) × V CE ( sat ) (@ I CP × sin X ) × 2
VC
E
i ICP
I O = I CP × sin( X )
t X
vout
iout
1) IGBT 结温
Tj (Q) = Tf + PIGBT × Rth( j −c)Q + (PIGBT + PFWD) × Rth(c− f )
2) FWD 结温
Tj ( D) = Tf + PFWD× Rth( j−c) D + (PIGBT + PFWD) × Rth(c− f )
7-14
Step 3. 结温的推荐设计和重新选型的指导方针 Step 3. 结温的推荐设计和重新选型的指导方针
Up
Vp
Wp
Up
Vp
Wp
Up
Vp
Wp
Un
Vn
Wn
Un
Vn
Wn
Un
Vn
Wn
N
N
N
7-22
3相调制和2相调制的区别 3相调制和2相调制的区别
在3相调制模式的调制波上，叠加3次谐波，就构成了2相调制模式。 传统的SPWM属于3相调制，而SVPWM属于2相调制。 2相调制 模式可以提高逆变器电压利用率并降低IGBT开关次数。
7-17
http://www.mitsubishichips.com/Global/index.html
7-18
仿真界面介绍 仿真界面介绍
所选模块的热阻
④单击 ①选择模块
所选模块名称
②选择3 相调制 或者2相 调制
条件を入力 ③工作条件
仿真结果
ASIPM and part of DIP-IPM are excluded. 7-19
On
On
每一个模块以及IGBT, FWDi的功耗差别很大。
IGBT Loss FWDi Loss
PKG
P
１in１
P
PKG
２in１
P
PKG
６in１
Up
Vp
Wp
Up
Vp
Wp
Up
Vp
Wp
Un
Vn
Wn
Un
Vn
Wn
Un
Vn
Wn
N
N
N
7-27
斩波模式仿真 斩波模式仿真
所选模块的热阻
④单击 ①选择模块 ②选择斩 波模式 所选模块名称
3 arm VCC modulation
Modulation ratio
三 相 変 調
100%
線間電圧
0
U
V
0% -VCC 0 180 360 540 720(度)
Duty
2 arm modulation
VCC
100% Duty
U phase duty V phase duty U-V line to line voltage
DC-Loss SW-Loss
Ie × VEC (@ Ie) × (1 − Duty ) + Err (@ Ie) × fc
DC-Loss SW-Loss
7-7
3相变频器运行 3相变频器运行
U相波形
W
U
V
7-8
Step1: 总功耗 -> 静态损耗 & 开关损耗 Step1: 总功耗 -> 静态损耗 & 开关损耗
7-10
4) FWD 导通损耗
P FWD − DC
i IEP
1 = 2π
∫π
2π
1 + D × sin( X + θ ) ( I EP × sin X ) × V EC (@ I EP × sin X ) × dX 2
VE
C
I O = I EP × sin( X )
t X
vout
iout
VEC
Io
输入IGBT 开通占空比”1” 仿真软件截图
Tj=ΔT(j-c)+Tc
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
7-11
5) FWD 恢复损耗
P FWD − SW
1 = 2π
∫π
2π
( E rr (@ I EP × sin X )) f C dX
E
i
Err iC
T=1/fC
t
IEP
Recovery loss
型号
选择斩波模式 输入电流 输入母线电压 输入开关频率
输入IGBT 开通占空比
Tj=ΔT(j-c)+Tc
7-30
计算N侧IGBT的损耗 计算N侧IGBT的损耗
型号
每一个N侧IGBT的 损耗。但是在 DC120控制中，该 值需要除3。
选择斩波模式 输入电流 输入母线电压 输入开关频率
N侧IGBT的温升。但 是在DC120控制中， 该值需要除3。
7-21
3相变频器的功耗 3相变频器的功耗 (电动机运行) (电动机运行)
整流器
P
逆变器 电动机
U Up Vp Wp
AC (50/60Hz)
DB C
Un
Vn
Wn V
W
N
每一个模块以及IGBT, FWDi的功耗都相同。
IGBT Loss FWDi Loss
PKG
P
１in１
P
PKG
２in１
P
PKG
６in１
ICP
t
ICP = 最大输出峰值电流
7-3
选型准则 选型准则 选型准则
要点
电气设计 (VCE,IC)
热设计 ( Tj )
保证模块工作在 SOA区内 ( VCE vs IC )
Keep SOA
Tj(max) : 低于150℃
Keep Tj max.
7-4
根据电气设计准则进行选型 根据电气设计准则进行选型
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
三菱电机功率模块技术研讨会
功耗和热仿真软件的使用
Mitsubishi Electric Corporation
20010 年 10 月
7-1
什么是三菱功率模块功耗仿真软件？ 什么是三菱功率模块功耗仿真软件？
该软件可以计算三菱功率模块在电压逆变器和DC-DC变换器应用中IGBT， MOSFET，续流二极管的硅片温度和相对温升。 输入参数: 直流母线电压，输出电流，载波频率， 输出频率，门极电阻，功率因数， 调制率，占空比，散热器温度（模块正下方）
Err at IEP
根据data-sheet
fc: Carrier freq.
根据具体应用
6) FWD 总损耗
P FWD = P FWD − DC + P FWD − SW
7-12
Step. 2: 功率模块的热等效电路 Step. 2: 功率模块的热等效电路
P IGBT P FWD
Rth(j-c)Q
可应用于
逆变器 o 工业, o 传动, o 电动汽车 伺服 o 机床 o 机器人 家电应用 o 洗衣机 o 电冰箱 o 空调 UPS (不间断电源) 新能源 o 太阳能发电 o 风电 o 燃料电池发电
7-2
功率模块选型指导 功率模块选型指导
应用 : 变频器
VCC
i(t)
电机
VCC = 直流母线电压
Collector-Emitter Voltage
7-5
根据热设计准则进行选型 根据热设计准则进行选型
Step1: 通过饱和压降特性和开关特性计算IGBT & FWD上的总功耗 总功耗 Step2: 通过总功耗和热阻计算结温 温度 Step3: 评价计算出的结温是否满足设计需求 评价
使用 三菱 功耗 仿真 软件
应用条件的定义 应用条件的定义
2
6
5 1
T
Chopper or sinus
4
fo=1/T
1 2 3
10 9 3
fsw=1/T1 T1
fo=1/T2 T2
7 8
Modulation Ratio ma = Hs/Ht
4 5 6
Hs Ht
fo(min)=0.1Hz
7 8 9 10
7-20
单、三相逆变器的输出电流计算 单、三相逆变器的输出电流计算
7-6
PWM工作时平均功耗计算 (VVVF 变频器)
IGBT DC-Loss FWD DC-Loss IGBT SW-Loss FWD SW-Loss
斩波工作时平均功耗计算 (电机堵转)
IGBT -Loss FWD -Loss
Ic × VCE ( sat )(@ Ic) × Duty + ( Eon(@ Ic) + ( Eoff (@ Ic)) × fc
(*) CP
< 2 × IC
IC = I
* CP
Tj(*) < 150°C
Tj(*) = 125°C
Note（*）：在最严酷应用条件下
7-16
Mitsubishi 功耗仿真软件使用手册
Melcosim Program Ver.4
http://www.mitsubishielectric.co.jp/semiconductors/
安全工作区 i
2 VCC ≤ VCES , 3
25°C ≤ T j ≤ 125°C
RG (min) ≤ RG ≤ 10 × RG (min)
2×IC
Collector Current
RG推荐值为3-5倍RG（min） 但是需要确认Vcep、噪声和开关损耗
IC
选wk.baidu.com功率模块额定值
a) b) 600V 1200V Vce c) C-E间最大电压: VCES > 3/2Vcc 最大集电极电流 : Ic >1/2Icp C-E间最大电压: VCES > 大于C-E间最大浪涌电压
Tj >125℃ : 设计需要重新检查,选择更大电流的模块。
Tj <125℃ : 如果结温很低,试一下更小电流的模块 是否满足要求。 或者检查一下可靠性计算
7-15
模块选型准则 模块选型准则
模块额定参数
VCES IC Tj
最大值
VCC 2 < VCES 3
推荐工作条件
VCES = 2 × VCC
I
Inverter output power Po and output current Io
Single phase inverter
P
Io =
N
Po Vo × P.F.
Three-phase inverter
P
Po Io = 3 × Vo × P.F.
N
※ Output voltage Vo & Power factor P.F. are necessary.