Модуль IGBT | Оценка потерь энергии и температуры

Vcesat, Eon, Eoff, Vf и Erec отражают технические характеристики чипов IGBT/FWD. Поэтому различные технологии чипов IGBT/FWD приводят к различным значениям Vcesat, Eon, Eoff, Vf и Erec.

Связь между Vcesat и Ic может быть представлена приблизительным линейным методом на левом рисунке:

Vcesat = Vt0 + Rce x Ic .

Потери проводимости IGBT:  .

Pcond = d * Vcesat x Ic, где d – это коэффициент рабочего цикла проводимости IGBT .

Величина напряжения насыщения IGBT связана с током (Ic), температурой соединения чипа (Tj) и напряжением на затворе (Vge).

Причина потерь энергии переключения в IGBT заключается в том, что существует период перекрытия тока и напряжения в момент включения и выключения.

Когда Vce близок к условиям испытания, Eon и Eoff можно приблизительно считать пропорциональными Ic и Vce:

Eon = EON x Ic/IC,NOM x Vce/условия испытания.

Eoff = EOFF x Ic/IC,NOM x Vce/условия испытания.

Потери переключения IGBT:

Psw = fsw × (Eon + Eoff), где fsw – это частота переключения.

Величина потерь энергии переключения IGBT связана с током (Ic), напряжением (Vce) и температурой соединения чипа (Tj).

Связь между Vf и If может быть представлена приблизительным линейным методом на левом рисунке:

Vf = U0 + Rd x If .

Потери проводимости FWD: Pf = d * Vf x If, где d – это коэффициент рабочего цикла FWD.

Величина напряжения прямой проводимости FWD связана с током (If) и температурой соединения чипа (Tj).

Обратное восстановление является неотъемлемой характеристикой FWD, происходящей в момент перехода от прямой проводимости к обратному блокированию, проявляющейся как возвращение в состояние обратного блокирования после прохождения обратного тока.

Когда Vr близок к условиям испытания, Erec можно приблизительно считать пропорциональным If и Vr:

Erec = EREC x If/IF,NOM x Vr/условия испытания.

Потери переключения FWD:

Prec = fsw x Erec, fsw – это частота переключения.

Величина потерь энергии обратного восстановления FWD связана с током (If) во время прямой проводимости, скоростью изменения тока dif/dt, обратным напряжением (Vr) и температурой соединения чипа (Tj).

IGBT.

Потери проводимости:

1) Связаны с технологией чипа IGBT. 

2) Связаны с условиями работы: пропорциональны току, пропорциональны коэффициенту рабочего цикла IGBT, увеличиваются с Tj.

3) Связаны с условиями управления: уменьшаются с увеличением Vge .

Потери переключения:

2) Связаны с рабочими условиями: пропорциональны частоте переключения, току и напряжению, увеличиваются с Tj.

2) Связаны с условиями работы: пропорциональны току, пропорциональны коэффициенту рабочего цикла IGBT, увеличиваются с Tj.

3) Связаны с условиями управления: увеличиваются с увеличением Rg, уменьшаются с увеличением напряжения выключения затвора.

FWD.

1) Связаны с технологией чипа IGBT.

1) Связаны с технологией чипа FWD.

2) Связаны с рабочими условиями: пропорциональны току, пропорциональны коэффициенту рабочего цикла FWD. .

Потери переключения:

1) Связаны с технологией чипа FWD.

2) Связаны с рабочими условиями: пропорциональны частоте переключения, току и напряжению, увеличиваются с Tj.

Температурная разница △T каждой части модуля IGBT зависит от.

1) Потерь (технология чипа, условия работы, условия управления); 

2) Теплового сопротивления (спецификация модуля, размер) 

Температура соединения чипа модуля – это сумма температурных разниц каждой части и температуры окружающей среды:

Tj = △Tjc + △Tch + △Tha + Ta.

Если предположить, что температура корпуса Tc постоянна, то Tj = △Tjc + Tc.

Если предположить, что температура радиатора Th постоянна, то Tj = △Tjh + Th.

Средняя температура соединения IGBT зависит от средней потери, Rthjc и температуры корпуса Tc.

Во время фактической работы температура соединения IGBT колеблется, и амплитуда колебаний зависит от переходных потерь и Zthjc, которые связаны с условиями работы (такими как выходная частота инвертора).

Пиковая температура соединения IGBT – это средняя температура соединения плюс амплитуда колебаний. 

Заключение: 

Температура соединения (средняя/пиковая) IGBT зависит от технологии чипов, условий эксплуатации, условий управления и спецификации IGBT.

Размер модуля, размер радиатора и температура окружающей среды.

Безопасная эксплуатация модуля IGBT.

Основные условия для безопасной работы:

Температура: пиковая температура соединения IGBT.

Tj_peak ≤ 125°C (150°C*).

Tjmax = 150°C (175°C*) - относится к стационарному состоянию без переключающей операции.

Tvj(max) = 125°C (150°C*) - относится к нормальному состоянию переключающей операции.

Tvj(max) указывает максимальную допустимую температуру соединения для тока отключения IGBT, короткого замыкания и циклов питания (PC).

* 600V IGBT3; 1200V и 1700V IGBT4; 3300V IGBT3.

Время короткого замыкания:Vcc=2500V, Vge ≤ 15V, Tvj=150°, Tp ≤ 10us.

Другие:

Vce ≤ VCES (т.е. спецификация напряжения IGBT).

Vge ≤ VGES (±20V).

Ic указывается по RBSOA при непрерывных условиях переключения, не превышая 2xIC,NOM. Минимальное время включения и т.д.