IGBT的耗散功率有多大？

耿博士电力电子技术|其他|other else|

2022-03-30 09:00:25 5

前言

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！

这期我们聊一下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。那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。

IGBT损耗简介

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。

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。。。

IGBT损耗计算

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：

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IGBT在125℃ 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IGBT的1s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*1500W，很巧和模块的功耗差不多。

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

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6个IGBT，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*是杠杠的，模块的图片还有内部电路如下图所示：

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。

案例2：中压变频器

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 1200A的IHV封装模块，输出电流500A，三电平一共需要12个IGBT模块和6个二极管，如下图：

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。

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。。。