一种快速IGBT损耗计算方法_张明元

Vol.29No.12009.1船电技术2009年第1期33一种快速IGBT损耗计算方法张明元1沈建清1李卫超1耿士广1童正军2（1海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，湖北武汉430033；2海军装备研究院舰船论证研究所，100161）摘要：针对目前PWM逆变器中广泛使用的IGBT，提出了一种快速损耗计算方法。该方法只需已知所使用的IGBT器件在额定状态下的特性参数，就可以快速估算各种条件下的功率损耗。该方法的计算结果与厂家提供的软件的计算结果误差在2%以内，满足工程需要。关键词：IGBT损耗计算PWM逆变器中图分类号：TM401.1文献标识码：A文章编号：1003-4862（2009）01-00033-03CalculationMethodofaFastPowerLossforIGBTModulesZhangMingyuan1,ShenJianqing1,LiWeichao1,GengShiguang,TongZhengjun2（1NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China;2.InstituteofNavalVessels,NavalAcademyofArmaments,Beijing100073）Abstract:FortheIGBTmoduleswidelyusedinthePWMinverter,afastpowerlossescalculationmethodispresentedinthispaper.Ifnominalcharacteristicparameterisgiven,thepowerlossofvariousconditionscanfastobtainedbyusingthismethod.Thecalculationshowsthattherelativeerrorislessthan2%andcansatisfytheengineeringrequirement.Keywords：IGBT;powerlosscalculation;PWM;inverter1引言IGBT具有驱动功率低、工作频率高、输出电流大和通态电阻小等优点，已成为当前电力电子装置中的主导器件。由于IGBT的器件级建模尚未解决，要对损耗进行精确计算相当困难。通过实验的方法进行测量，不但费时费力，不经济，而且还有可能损坏器件，也是不可取的。根据厂家提供的IGBT特性参数和特性曲线，采用工程近似计算的方法，具有简单、实用的优点，是当前解决IGBT损耗计算问题的可行途径，它对于快速完成电力电子装置的系统设计、器件选型具有重要意义。国内外关于IGBT损耗发表的文章很多，但有的考虑的因素很多，计算并不方便[1][2]；有的没有区分PWM调制时单极性和双极性的区别，采用统一的公式计算误差较大[3]。一个IGBT模块包括一个IGBT和一个并联二极管，IGBT的损耗包括通态损耗和开关损耗，二极管的损耗包括通态损耗和关断损耗，本文分别对这四种损耗给出了计算公式并作了推导。2IGBT本身损耗计算方法2.1单个IGBT通态损耗因为单个IGBT模块只负责正半周波（或负半周波）电流流过，所以单个IGBT的通态损耗为：01()*()*()2SSCECPvtittdtπτπ=∫（1）式中:vCE——端电压，iC——电流，()tτ——占收稿日期：2008-07-23作者简介：张明元(1982-)男，硕士研究生，研究方向：电机与控制。DOI:10.13632/j.meee.2009.01.011船电技术2009年第1期Vol.29No.12009.134空比。vCE与iC是非线性关系，这正是IGBT损耗难以精确计算的根源之一[4]。vCE与iC的典型曲线如图1所示，将vCE与iC之间的关系用直线近似，则：0*()CECECECvVrit=+（2）式中：VCE0——门槛电压；rCE——IGBT通态等效电阻，可通过厂家提供的vCE与iC的曲线获得。图1vCE与iC的典型曲线图采用不同的调制方式时，占空比是不一样的。当采用单极性PWM调制时，占空比如式（3）所示；当采用双极性PWM调制时，占空比如式（4）所示。()sin()tMtτωϕ=+（3）1sin()()2Mttωϕτ++=（4）式中M——调制比；φ——电压电流相位差。下面仅以（4）式为例进行推导，（3）式的推导与此类似。设电流的时域表达式为：()sin()CCPitItω=（5）则电压时域表达式可表示为：()sin()CEPvtVtωϕ=+（6）图2是双极性调制方式原理示意图，图中仅画出了载波的一个周期。由图2容易得到载波直线1和直线2的方程分别为：直线1方程：42TTVvVtT=−+（7）直线2方程：44TTVvVtT=−（8）式中T——载波周期,VT——载波幅值。t1、t2时刻满足（9）式所示的方程组，由此可导出占空比如（10）式所示。124sin()24sin()4TPTTPTVVtVtTVVtVtTωϕωϕ⎧+=−+⎪⎪⎨⎪+=−⎪⎩（9）21sin()1*sin()22TPTttVVtMtTVωϕωϕ−−+−+⇒==211sin()()12ttMttTωϕτ−++=−=（10）不难验证（10）式在每个载波周期都是成立的，故（4）式成立。图2双极性调制方式原理示意图将（2）式和（3）式代入（1）式，积分后可得单极性PWM调制时，单个IGBT通态损耗公式为：20cos2cos****43SSCECPCECPMMPVIrIϕϕπ=+（11）将（2）式和（4）式代入（1）式，积分后可得双极性PWM调制时，单个IGBT通态损耗公式为[1]：201cos1cos()**()**2883SSCECPCECPMMPVIrIϕϕππ=+++（12）2.2单个IGBT开关损耗设开关频率为fSW，则半个周期内单个IGBT模块要开通关断各fSW次，故单个IGBT模块的开关损耗为：()()11()SWfSWSWonSWoffnPEEπ==+∑（13）Vol.29No.12009.1船电技术2009年第1期35式中Esw（on）——IGBT开通一次损失的能量；Esw（off）——IGBT关断一次损失的能量。Esw（on）和Esw（off）随电流iC的变化规律是非线性的，很难用解析表达式准确定量描述。厂家一般提供额定电流电压或少数几种模态下的Esw（on）和Esw（off）曲线。经验表明，将Esw（on）和Esw（off）按线性化折算可以满足工程计算的需求[5]，即：()()1**()**CPdcSWSWSWonPSWoffPCNCENIVPfEEIVπ=+（14）式中:Esw（on）P*——额定电流ICN和额定电压VCEN时IGBT开通一次损失的能量；Esw（off）P——额定电流ICN和额定电压VCEN时IGBT关断一次损失的能量；Vdc——直流母线电压；ICN——额定工作电流；VCEN——额定工作电压。2.3单个IGBT总损耗单个IGBT的总损耗为：PQ=PSS+PSW（15）3并联二极管损耗计算方法3.1单个二极管通态损耗同IGBT的通态损耗计算公式推导方法一致，可得出二极管的通态损耗计算公式。vF与iC的典型曲线与图1类似，故：0*()FFFCvVrit=+（16）式中：VF0——二极管门槛电压；rF——二极管通态等效电阻，可通过厂家提供的vF与iC的曲线获得。当采用单极性PWM调制时，占空比如式（17）所示，通态损耗计算公式如式（19）所示；当采用双极性PWM调制时，占空比如式（18）所示，通态损耗计算公式如式（20）所示。()1sin()tMtτωϕ=−+（17）1*sin()()2Mttωϕτ−+=（18）201cos12cos()**()**443DCFCPFCPMMPVIrIϕϕππ=−+−（19）201cos1cos()**()**2883SSFCPFCPMMPVIrIϕϕππ=−+−（20）3.2单个二极管关断损耗二极管的开通损耗可以忽略不计，仅计算其关断损耗。与IGBT的开关损耗计算公式推导方法一样，可得出二极管的关断损耗计算公式为：()1****CPdcrrSWDiodeoffPCNCENIVPfEIVπ=（21）式中：PoffDiodeE)(——在额定电流ICN和额定电压VCEN下二极管关断一次损失的能量。3.3单个二极管的总损耗单个IGBT的总损耗为：PD=PDC+Prr（22）4实验与结论在PWM工作方式下，一个IGBT模块的总损耗包括单个IGBT及其并联二极管的损耗之和。即：PA=PQ+PD=PSS+PSW+PDC+Prr（23）其中，PSW见式（14），Prr见式（21），当采用单极性PWM调制时，PSS见式（11），PDC见式（19），当采用双极性PWM调制时，PSS见式（12），PDC见式（20）。为了验证这种计算方法，针对eupec的FZ1200R33KF2C型IGBT进行了验证，结果如表1所示。表1中公式结果指的是用本文给出的公式计算结果，软件结果指的是用eupec提供的IPOSIM6-2a软件计算结果。表1eupec的FZ1200R33KF2C的公式计算结果与软件计算结果对比PSS(W)PSW(W)PDC(W)Prr(W)PA(W)公式结果378.6840.1108.0533.21856.0软件结果397.6840.1113.8533.21884.7相对误差5.02%05.37%01.55%由表1可见，本文给出的公式计算结果与eupec公司软件计算结果非常接近。按照本文的船电技术2009年第1期Vol.29No.12009.136计算结果，进行了IGBT的器件选型和散热设计，虽然没有做实验测量准确的损耗值，但最终的变频器装置运行情况良好，这说明本文给出的方法满足了工程需要。同时该方法还可以用于计算MOSFET以及BJT的功率损耗。参考文献:[1]DeweiXu,HaiweiLu,LipeiHang,SatoshiAzuma,MasahiroKimnata,andRyohelUchida.PowerLossandJunctionTemperatureAnalysisofPowerSemiconductorDevices.WEEETransactiononIndustryApplications,vol.38,no.5,pp,1426-1431,September/October2002.[2]A.D.Rajapakse,A.M.GoleandP.L.Wilson.Electromagnetictransientsimulationmodelsforaccuraterepresentationofswitchinglossesandthermalperformanceinpowerelectronicsystems.IEEETrans.PowerDelivery,vol.20,No.1,pp.319-327,Jan.2005.[3]谢勤岚,陈红.PWM逆变器中IGBT的损耗计算[J].中南民族大学学报(自然科学版),Vo1.22No.1,2003,3.[4]J.Qian,A.Khan,A.I.Batarseh.Turn-offswitchinglossmodelandanalysisofIGBTunderdifferentswitchingoperationmodes.Proc.21stInternationalConferenceonIndustrialElectronics,Control,andInstrumentation,6-10Nov.1995,vol.1,pp.240–245.[5]TakashiKojimnaYasushiYaunada,MauroCiappa.MarcoChiavrwiniandWolfgamgFichtner.ANovelEleetro-thermalSimulationApproachofPowerIGBTmodulesforautomotivetractionapp