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                                                                   正文

IGBT 不僅具有 MOSFET 的輸入阻抗髙、驅動電流小、工作速度快的優點，又具備了雙極型功率晶體管的阻斷電壓高、通過電流大等特點， 在電力電子裝置中應用廣泛。IGBT 模塊是電機控制器的核心功率器件，也是損耗最大的器件。在一個 IGBT 模塊中集成了若干個 IGBT 芯片和 FWD（續流二極管）芯片，這些芯片在開通和關斷時由于壓降作用產生損耗。

IGBT 模塊的損耗是電機控制器的主要熱量來源，計算 IGBT 模塊的損耗是計算其結溫及溫度場仿真的基礎和必要條件，因此必須詳細分析 IGBT 模塊的損耗機理，并進行準確的計算。

IGBT 的內部結構示意圖如下圖 a 所示，與 MOSFET 相比，IGBT 就是在MOSFET的漏極下增加了一個 P⁺區，多了一個 PN 結（J_I）。IGBT 的等效電路如下圖 b 所示，實際上它是一個以 MOSFET 為驅動元件，GTR 為主導元件的達林頓電路結構器件。IGBT 的開通和關斷受柵極控制，當 IGBT 的柵極施加正向偏置電壓時，MOSFET 開通，進而使 IGBT 開通；當 IGBT 的柵極施加反向偏置電壓時，IGBT 截止。

                                                       IGBT 內部結構、等效電路

在 IGBT 模塊中，通常會在 IGBT 兩端反向并聯一個二極管，稱為 FWD（續流二極管）。它的作用是在電路中電壓或電流出現突變時，對電路中其它元件起保護作用，避免激起高壓損壞 IGBT。本文所用 IGBT 模塊采用三相橋電路，三相橋模塊的內部等效電路如圖 a 所示，圖 b 為 IGBT 的電氣符號。

                                               IGBT 模塊三相橋等效電路與 IGBT 電氣符號

由 IGBT 模塊三相橋等效電路可知，每個 IGBT 模塊都包括 U、V、W 三相，且 U、V、W 的每一相都由上下兩個半橋臂組成。IGBT 模塊中的 IGBT 單元和 FWD單元主要工作在開關狀態，在每個開關狀態中，都會產生動態損耗和靜態損耗，IGBT 模塊的損耗組成如下圖所示。

IGBT 模塊損耗組成

IGBT 單元損耗計算

IGBT 芯片的功率損耗主要來自于兩個方面：一是，在飽和開通狀態下通態電阻產生的損耗；二是，在開關過程中電流電壓不同步引起的功耗。

（1）IGBT 通態損耗計算

通態損耗的產生是由于 IGBT 在導通過程存在飽和壓降而產生的損耗，與導通壓降、結溫、電流、占空比有關。IGBT 在一個正弦周期內的平均通態損耗計算公式如下：

式中，P_{cond（IGBT）}為 IGBT 的通態損耗；u_CE（t）為 IGBT 的導通壓降；i（t）為負載電流；τ（t）為 IGBT 的導通時間函數；T為調制周期。

IGBT 在導通時的負載電流函數與壓降函數可表示為：

式中，T_j 為結溫；U_CE0（Tj）為閾值電壓；r_（Tj）為通態斜率電阻。

導通時間函數 τ（t）可表示為：

式中，m 為調制系數；φ為相位差。

將上式整理，并且積分，可得：

（2）IGBT 開關損耗計算

IGBT 的開關損耗與開通能量 E_on、關斷能量 E_off和開關頻率 f_sw有關。開通能量 E_on為單個集電極電流脈沖開通時 IGBT 產生的損耗，定義E_on的時間跨度 t_Eon從 IC 上升到正常值的 10%開始，U_CE下降到正常值的 2%結束。關斷能量 E_off 為單個集電極電流脈沖關斷時 IGBT 產生的損耗，定義E_on的時間跨度 t E_off 從U_CE上升到正常值的 10%開始，IC下降到正常值的 2%結束。IGBT 的開通能量E_on與關斷能量 E_off的計算公式如下：

式中，E_on（test）為測試條件下的開通能量；E_{off（test）}為測試條件下的關斷能量；I_{Con（test）}為測試時的導通電流；I_{Coff（test）}為測試時的關斷電流；I_Con 為實際開通相電流；I_Coff 為實際關斷相電流；U_DC為直流母線電壓；U_{DCon（test）}為測試 IGBT 導通時的母線電壓；U_{DCoff（test）}為測試 IGBT 關斷時的母線電壓。E_on（test）、E_{off（test）}、I_{Con（test）}、I_{Coff（test）}、U_{DCon（test）}、U_{DCoff（test）}這些參數可以從 IGBT 的說明書上查取。如果 IGBT的開關周期很小，相電流基波電流基本上等于開關周期內的相電流，即:

IGBT 的開關損耗可表示如下：

將上式整理，可得：

FWD 單元損耗計算

FWD 在正向導通時產生通態損耗，在反向恢復時產生反向恢復損耗。

（1）FWD 通態損耗計算

FWD 的通態損耗計算方法與 IGBT 通態損耗類似，FWD 在一個正弦周期內的平均損耗可表示如下：

式中，P_{cond（FWD）}為 FWD 的通態損耗；u F（t）為 FWD 的正向壓降；i F（t）為 FWD的正向電流；τ‘（t） 為 FWD 的導通時間函數；T 為調制周期。

FWD 的正向電流函數與正向壓降函數可表示為：

式中，U_TO（Tj）為閾值電壓；Tr（T_j）為二極管的正向電阻。

FWD 的導通時間函數可表示為：

將上式整理，并且積分，可得：

（2）FWD 開關損耗計算

在實際應用中，與 FWD 的關斷損耗相比，FWD的開通損耗極小，可忽略不計。故本文著重計算 FWD 的關斷損耗，也稱為反向恢復損耗。FWD 的反向恢復損耗與反向恢復能量 E_rec 和開關頻率 f_sw 有關。定義 E_rec 的時間跨度 t _Erec 從 UR 上升到其穩定值的 10%開始，I_RM 下降到穩定值的 2%結束。FWD 的反向恢復能量 E_rec計算公式如下：

式中，E_rec（I_test，T_j）為測試條件下 FWD 的反向恢復能量。

FWD 的開關損耗可表示為：

式中，Prr 為 FWD 的反向恢復損耗。

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