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IGBT的耗散功率有多大？

耿博士電力電子技術|其他|other else|

2022-03-31 01:37:25 35

前言

大家好，好久沒有更新文章了，一方面由于工作比較忙，再者自己確實也懶了，統計了一下平均每天下班后花在手機上的時間都要快兩個小時了，實在有點可惜，作為一個積極向上的有為青年怎么能允許自己這樣墮落下去，所以戒掉手機，科普文章繼續搞起來！

這期我們聊一下IGBT耗散功率，經常聽到小伙伴問IGBT的最大可以跑多少電流？開關頻率可以做到多高類似的問題。其實對IGBT應用有所了解的應該都知道，這些問題都沒有辦法精確定量地給出結果。IGBT的開關頻率和輸出電流大小主要取決于器件的散熱，只要你散熱足夠好，把IGBT產生的熱量及時帶走，那就可以“超頻”。功率半導體廠商之所以稱有些管子是快管，也是優化了IGBT的開關速度，降低了開關損耗所為。那IGBT運行過程中散熱功耗到底有多大？可能大家并沒有很直觀的概念，今天我們就結合身邊的一些家用電器和IGBT的功耗橫向對比看看。

IGBT損耗簡介

首先，讓我們簡單的介紹一下IGBT的損耗，IGBT的損耗主要分為開關損耗和導通損耗兩部分。開關損耗又分為開通損耗和關斷損耗，因為IGBT大部分應用都是感性負載，在開通的過程中，集電極電流先上升，然后電壓才下降。而對于關斷暫態則相反，IGBT的集電極電壓先建立起來，然后電流才下降，這樣IGBT的開關過程電壓和電流就會有交疊部分，這個過程電壓和電流都為正，兩者相乘功率也為正，因此就會釋放能量。IGBT雖然是電力電子開關，但是導通時不同于機械開關，會存在幾伏的電壓降，因此也會產生一定的損耗，稱為導通損耗。

對于大部分的工業應用，IGBT內部都會有二極管，二極管雖然是無源器件，但是由于旁邊的哥們是開關器件，自己沒辦法，也不能獨善其身。IGBT開的有多快，自己關斷就要多快，但是先天性的材料特性就決定了自己沒那個瞬間關斷能力，這樣二極管就會在短時內同時承受反向電壓和反向電流，此時兩者相乘功率為正，因此也要釋放能量。二極管正向開通也會產生一部分損耗，但是相比關斷損耗較小，因此二極管的開關損耗主要指關斷損耗。同時由于反向關斷需要一定的恢復時間，因此二極管的開關損耗也稱為反向恢復損耗。二極管的和IGBT一樣，雖然都采用了電導調制方法降低正向電壓，但依然有1-2V的正向壓降，在大電流下不能忽略，這就是二極管的導通損耗。想想二極管也不容易，不但承受旁邊老大哥的壓力，還有被新材料SiC二極管小弟代替的風險，可見二極管的抗壓能力也非同一般。。。，有點跑題了，繼續。。。

IGBT損耗計算

了解了IGBT開關損耗后，讓我們再看看IGBT的損耗計算，在這里老耿想給大家看一個奇葩的算法，目的是讓大家先對IGBT耗散功率和能量的關系有個深入的理解。在這里我們還是以英飛凌的1700V 1400A模塊為例進行簡單說明，型號為FF1400R17IP4。看過往期內容的小伙伴可能會問老耿你怎么總拿這個管子舉例子，記住一句話，哥是搞大功率，最開始接觸的就是這個模塊，對這個模塊有著深厚感情。下面看一下這個模塊的開關損耗和電流的對應的關系，如下圖所示：

可以看出隨著電流增大IGBT開關損耗是變大的，而且損耗還和溫度有關系。對于1400A的模塊，散熱好的情況下可以跑到800A，那我們就以800A為例進行計算，通過上圖不難發現IGBT在125℃ 800A電流下的每次開通損耗是280mJ，單位也可以是mWs，關斷損耗是420mJ，那總的每次開關損耗就是700mJ。假設IGBT的開關頻率為2kHz，那IGBT的1s就會產生700mJ *2000= 1400J的熱量，等同于1個小時消耗1.4度電。那1s產生1400J相當于多大功率的用電設備呢？經過簡單換算可以等效為一個1400W的家用電器，老耿看了一圈家里的電器，發現正在冒著水蒸氣的熱水壺，看了一下*1500W，很巧和模塊的功耗差不多。

有些小伙伴可能會說你這也太不專業了，怎么能這么算呢？是的，上面的計算確實沒啥意義，因為它脫離了實際應用，同時也沒有考慮導通損耗，二極管損耗等等。老耿的主要目的是給大家科普一下功率和能量的區別，你只要覺得有收獲就可以了。實際上IGBT的損耗計算公式比較復雜，與電路拓撲、功率因數、PWM調制方法等等都有關系。詳細的計算公式網上資源很多，大家可以自己去找找，大部分都源于英飛凌的一篇文檔“Dimensioning program IPOSIM for loss and thermal calculation of Infineon IGBT modules”，如果找不到也可以聯系老耿，聯系方式往期都有。下面我們就基于英飛凌的IPOSIM仿真軟件舉兩個常用IGBT逆變器耗散功率的例子，看看IGBT工作時的損耗到底有多大？

案例1：新能源電驅

現在新能源電動汽車這么火，我們就以英飛凌HP Drive模塊 FS820R08A6P2B為例進行說明，這是一個6單元的汽車級功率模塊，據搞新能源的朋友說該模塊在蔚來、吉利、通用別克都有應用，是一款明星產品。該模塊額定電壓750V、電流820A，內部包含了6個IGBT，采用該模塊做成的驅動器輸出功率可達200kW，這個功率用在乘用車上推背感*是杠杠的，模塊的圖片還有內部電路如下圖所示：

采用英飛凌IPOSIM進行簡單的功耗仿真，在電池電壓400V，輸出電路500A，開關頻率8kHz的情況下，單個IGBT的耗散功率為500W，那整個模塊的耗散功率在3000W左右。老耿又看了一圈家里的電器，發現洗澡用的熱水器功率居然正好也是3000W，這也太巧了吧。這時候肯定有小伙伴會說，老耿你怎么這么會算呢，哈哈，你懂的。。。很難想象這么一個手掌大小的模塊，工作時居然能產生這么大的功耗。

案例2：中壓變頻器

上面的模塊散熱功率已經不小了，我么再搞個大模塊，以中壓3300V大功率三電平變頻器為例進行說明，變頻器采用4500V 1200A的IHV封裝模塊，輸出電流500A，三電平一共需要12個IGBT模塊和6個二極管，如下圖：

在半母線電壓2800V，輸出電流500A，開關頻率1kHz的仿真數據如下所示，可以看三電平的外管開關損耗接近2500W，內管的開關損耗只有740W，主要是跟逆變器的工況有關系，后面有機會可以專門給大家聊一下這個話題，這期就不說了。

經過簡單計算單個三電平橋臂總的功耗在8400W，那三相總的功耗在25kW左右，這個功率損耗還是很大的，不過這時候變頻器輸出功率也很大，都將近3MW了。環顧一周家里好像沒這么大的電器了，突然想到前段時間剛交了電費，看了一下單子每個月平均200度電，100塊錢的電費，這樣每天大概7度電，3.5元。這個用電應該能代表大部分家庭，那如果上面提到的變頻器滿載運行，IGBT產生的熱量相當于多少用戶的用電量呢？一天浪費的電費又是多少呢？感興趣的小伙伴可以自己算下，這里直接給出答案：89戶，312元，是不是很驚訝，差不多夠一棟樓的用戶用電量了。哦，有些小伙伴提醒要按照工業電費計算，好吧，那價格更高了。。。