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IGBT的耗散功率有多大?

发布时间:2022-03-30作者来源:耿博士电力电子技术浏览:684

  前 言  

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大家好,好久没有更新文章了,一方面由于工作比较忙,再者自己确实也懒了,统计了一下平均每天下班后花在手机上的时间都要快两个小时了,实在有点可惜,作为一个积极向上的有为青年怎么能允许自己这样堕落下去,所以戒掉手机,科普文章继续搞起来!

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我们聊一下IGBT耗散功率,经常听到小伙伴问IGBT的最大可以跑多少电流?开关频率可以做到多高类似的问题。其实对IGBT应用有所了解的应该都知道,这些问题都没有办法精确定量地给出结果。IGBT的开关频率和输出电流大小主要取决于器件的散热,只要你散热足够好,把IGBT产生的热量及时带走,那就可以“超频”。功率半导体厂商之所以称有些管子是快管,也是优化了IGBT的开关速度,降低了开关损耗所为。IGBT运行过程中散热功耗到底有多大?可能大家并没有很直观的概念,今天我们就结合身边的一些家用电器和IGBT的功耗横向对比看看。

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  IGBT损耗简介  

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首先,让我们简单的介绍一下IGBT的损耗,IGBT的损耗主要分为开关损耗和导通损耗两部分。开关损耗又分为开通损耗和关断损耗,因为IGBT大部分应用都是感性负载,在开通的过程中,集电极电流先上升,然后电压才下降。而对于关断暂态则相反,IGBT的集电极电压先建立起来,然后电流才下降,这样IGBT的开关过程电压和电流就会有交叠部分,这个过程电压和电流都为正,两者相乘功率也为正,因此就会释放能量IGBT虽然是电力电子开关,但是导通时不同于机械开关,会存在几伏的电压降,因此也会产生一定的损耗,称为导通损耗。

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对于大部分的工业应用,IGBT内部都会有二极管,二极管虽然是无源器件,但是由于旁边的哥们是开关器件,自己没办法,也不能独善其身IGBT开的有多快,自己关断就要多快,但是先天性的材料特性就决定了自己没那个瞬间关断能力,这样二极管就会在短时内同时承受反向电压和反向电流,此时两者相乘功率为正,因此也要释放能量。二极管正向开通也会产生一部分损耗,但是相比关断损耗较小,因此二极管的开关损耗主要指关断损耗。同时由于反向关断需要一定的恢复时间,因此二极管的开关损耗也称为反向恢复损耗。二极管的和IGBT一样,虽然都采用了电导调制方法降低正向电压,但依然有1-2V的正向压降,在大电流下不能忽略,这就是二极管的导通损耗。想想二极管也不容易,不但承受旁边老大哥的压力,还有被新材料SiC二极管小弟代替的风险,可见二极管的抗压能力也非同一般。。。,有点跑题了,继续。。。

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  IGBT损耗计算  

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了解了IGBT开关损耗后,让我们再看看IGBT的损耗计算,在这里老耿想给大家看一个奇葩的算法,目的是让大家先对IGBT耗散功率和能量的关系有个深入的理解。在这里我们还是以英飞凌的1700V 1400A模块为例进行简单说明,型号为FF1400R17IP4。看过往期内容的小伙伴可能会问老耿你怎么总拿这个管子举例子,记住一句话,哥是搞大功率,最开始接触的就是这个模块,对这个模块有着深厚感情。下面看一下这个模块的开关损耗和电流的对应的关系,如下图所示:

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可以看出随着电流增大IGBT开关损耗是变大的,而且损耗还和温度有关系。对于1400A的模块,散热好的情况下可以跑到800A,那我们就以800A为例进行计算,通过上图不难发现IGBT125℃ 800A电流下的每次开通损耗是280mJ,单位也可以是mWs,关断损耗是420mJ,那总的每次开关损耗就是700mJ。假设IGBT的开关频率为2kHz,那IGBT1s就会产生700mJ *2000= 1400J的热量,等同于1个小时消耗1.4度电。那1s产生1400J相当于多大功率的用电设备呢?经过简单换算可以等效为一个1400W的家用电器,老耿看了一圈家里的电器,发现正在冒着水蒸气的热水壶,看了一下名牌1500W,很巧和模块的功耗差不多。

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有些小伙伴可能会说你这也太不专业了,怎么能这么算呢?是的,上面的计算确实没啥意义,因为它脱离了实际应用,同时也没有考虑导通损耗,二极管损耗等等。老耿的主要目的是给大家科普一下功率和能量的区别,你只要觉得有收获就可以了。实际上IGBT的损耗计算公式比较复杂,与电路拓扑、功率因数、PWM调制方法等等都有关系。详细的计算公式网上资源很多,大家可以自己去找找,大部分都源于英飞凌的一篇文档“Dimensioning program IPOSIM for loss and thermal calculation of Infineon IGBT modules”,如果找不到也可以联系老耿,联系方式往期都有。下面我们就基于英飞凌的IPOSIM仿真软件举两个常用IGBT逆变器耗散功率的例子,看看IGBT工作时的损耗到底有多大?


  案例1:新能源电驱 

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现在新能源电动汽车这么火,我们就以英飞凌HP Drive模块 FS820R08A6P2B为例进行说明,这是一个6单元的汽车级功率模块,据搞新能源的朋友说该模块在蔚来、吉利、通用别克都有应用,是一款明星产品。该模块额定电压750V、电流820A,内部包含了6IGBT,采用该模块做成的驱动器输出功率可达200kW,这个功率用在乘用车上推背感绝对是杠杠的,模块的图片还有内部电路如下图所示:

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采用英飞凌IPOSIM进行简单的功耗仿真,在电池电压400V,输出电路500A,开关频率8kHz的情况下,单个IGBT的耗散功率为500W,那整个模块的耗散功率在3000W左右。老耿又看了一圈家里的电器,发现洗澡用的热水器功率居然正好也是3000W,这也太巧了吧。这时候肯定有小伙伴会说,老耿你怎么这么会算呢,哈哈,你懂的。。。很难想象这么一个手掌大小的模块,工作时居然能产生这么大的功耗。

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  案例2:中压变频器  

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上面的模块散热功率已经不小了,我么再搞个大模块,以中压3300V大功率三电平变频器为例进行说明,变频器采用4500V 1200AIHV封装模块,输出电流500A,三电平一共需要12IGBT模块和6个二极管,如下图:

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在半母线电压2800V,输出电流500A,开关频率1kHz的仿真数据如下所示,可以看三电平的外管开关损耗接近2500W,内管的开关损耗只有740W,主要是跟逆变器的工况有关系,后面有机会可以专门给大家聊一下这个话题,这期就不说了。

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经过简单计算单个三电平桥臂总的功耗在8400W,那三相总的功耗在25kW左右,这个功率损耗还是很大的,不过这时候变频器输出功率也很大,都将近3MW了。环顾一周家里好像没这么大的电器了,突然想到前段时间刚交了电费,看了一下单子每个月平均200度电,100块钱的电费,这样每天大概7度电,3.5元。这个用电应该能代表大部分家庭,那如果上面提到的变频器满载运行,IGBT产生的热量相当于多少用户的用电量呢?一天浪费的电费又是多少呢?感兴趣的小伙伴可以自己算下,这里直接给出答案:89户,312元,是不是很惊讶,差不多够一栋楼的用户用电量了。哦,有些小伙伴提醒要按照工业电费计算,好吧,那价格更高了。。。

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 上面的一些案例只是些简单的仿真数据,和实际应用还有一定的差距,大家不要太认真哦,权当科普就可以了,不过也不难发现IGBT的散热有多关键,这么大的热量处理不好,那就危险了。。。

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好了,今天就给大家分享到这里,以上内容若有不对之处,请大家批评指正!如果您觉得有所收获,请帮忙点赞,转发,使本文被更多需要的人看到,谢谢!

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