如何手動(dòng)計(jì)算IGBT的損耗

現(xiàn)今隨著高端測(cè)試儀器和仿真軟件的普及，大部分的損耗計(jì)算都可以使用工具自動(dòng)完成，節(jié)省了不少精力，不得不說(shuō)這對(duì)工程師來(lái)說(shuō)是一種解放，但是這些工具就像黑盒子，好學(xué)的小伙伴總想知道工作機(jī)理。其實(shí)基礎(chǔ)都是大家學(xué)過(guò)的基本高等數(shù)學(xué)知識(shí)。今天作者就幫大家打開(kāi)這個(gè)黑盒子，詳細(xì)介紹一下IGBT損耗計(jì)算方法同時(shí)一起復(fù)習(xí)一下高等數(shù)學(xué)知識(shí)。

我們先來(lái)看一個(gè)IGBT的完整工作波形：

IGBT的損耗可以分為開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，其中開(kāi)關(guān)損耗又分為開(kāi)通和關(guān)斷兩部分，下面我分別來(lái)看一下各部分的計(jì)算推導(dǎo)過(guò)程。

開(kāi)關(guān)損耗-開(kāi)通部分

我們先來(lái)看一下理想的IGBT開(kāi)通波形：

我們需要先分別寫出電流和電壓的線性方程，先看電流線性方程：分別找到電流開(kāi)關(guān)波形中的兩個(gè)坐標(biāo)(0,0) 和 (Δt_on, Ic) , 那么電流線性方程：

電壓線性方程，同樣找到電壓波形中的兩個(gè)坐標(biāo)(0,Vce), (Δt-on,0),那么電壓線性方程：

根據(jù)損耗計(jì)算的定義：

這樣開(kāi)關(guān)損耗中的開(kāi)通部分計(jì)算公式我們就推導(dǎo)完成了，那是不是我們有了計(jì)算公式就可以直接用了呢？我們先來(lái)看看實(shí)際的開(kāi)通波形：

上圖是實(shí)測(cè)的IGBT開(kāi)通波形，藍(lán)色是Vce波形，紅色是Ic波形?？梢钥吹絀c在整個(gè)上升過(guò)程中還是比較線性的，但是Vce在跌落的時(shí)候斜率分成了幾段，這個(gè)時(shí)候我們推導(dǎo)的理想開(kāi)關(guān)波形的損耗似乎就沒(méi)什么用了，那怎么辦呢？

其實(shí)雖然我們之前的推導(dǎo)結(jié)果不能直接用，但是推導(dǎo)過(guò)程我們還是可以借鑒的，我們可以把整個(gè)波形根據(jù)Vce 的斜率分成幾個(gè)部分來(lái)近似計(jì)算，如下圖所示，對(duì)應(yīng)時(shí)間分別是Δt1, Δt2, Δt3。

我們先來(lái)計(jì)算Δt1部分的損耗：

如上圖，我們先找到電壓和電流波形與Δt1時(shí)間標(biāo)注線的四個(gè)交點(diǎn)，標(biāo)注為：

A(0,Vce1), B(Δt1,Vce2), C(0,0), D(Δt1,Ic1).

Δt1內(nèi)的Vce表達(dá)式：

Δt1內(nèi)的Ic表達(dá)式：

Δt1內(nèi)的損耗表達(dá)式及推導(dǎo)：

從波形中可以讀出:

Vce1=260V, Vce2=220V, Ic1=20.3A,  Δt1=70ns, 帶入上面公式可以得到：

我們用同樣的方法計(jì)算Δt2部分：

同樣先找到電壓和電流波形與Δt2時(shí)間標(biāo)注線的四個(gè)交點(diǎn):

E(0,Vce2), F(Δt2,Vce3), G(0,Ic1), H(Δt2,Ic2).

Δt2內(nèi)的Vce表達(dá)式：

 Δt2內(nèi)的Ic表達(dá)式：

Δt2內(nèi)的損耗表達(dá)式及推導(dǎo)：

從波形中可以讀出:

Vce3=50V, Vce2=220V, 

Ic1=20.3A, Ic2=29.3A Δt2=40ns,帶入上面公式可以得到

最后是Δt3部分：

四個(gè)交點(diǎn):

I(0,Vce3), J(Δt3,Vce3), K(0,Ic2), L(Δt3,Ic3).

Δt3內(nèi)的Vce我們?nèi)〗瞥?shù)：

 Δt3內(nèi)的Ic表達(dá)式：

Δt3內(nèi)的損耗表達(dá)式及推導(dǎo)：

從示波器中可以讀出:Vce3=40V, Ic2=29.3A, Ic3=19A Δt3=30ns, 帶入上面公式可以得到

這樣把三部分算好加起來(lái)就是開(kāi)通的總損耗：

導(dǎo)通部分損耗計(jì)算

IGBT導(dǎo)通狀態(tài)下處于飽和狀態(tài)，我們只需要對(duì)導(dǎo)通狀態(tài)下的飽和電壓Vce和電流Ic乘積積分就可以：

但是導(dǎo)通狀態(tài)下的Vce實(shí)際是和Ic關(guān)聯(lián)的，Vce會(huì)隨著Ic的變化而變化，我們直接拿下面的實(shí)際測(cè)試波形來(lái)舉例分析：

從波形上看，Ic在IGBT導(dǎo)通狀態(tài)下是線性上升的，對(duì)應(yīng)的Vce應(yīng)該也是線性增加的，但是因?yàn)閷?shí)際測(cè)試中Vce有高壓狀態(tài)的原因，我們會(huì)選擇高壓差分探頭測(cè)試。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)Vce只有1-2V, 這時(shí)差分探頭對(duì)低壓部分的測(cè)試精度就成了問(wèn)題，那么我們?cè)趺唇频挠?jì)算這部分導(dǎo)通損耗呢？

我們可以參考規(guī)格書中的Vce曲線：

實(shí)際測(cè)試波形電流在20A左右，所以我們把20A左右的曲線單獨(dú)放大取出來(lái)：

Vce表達(dá)式：

然后我們來(lái)看電流部分，首先我們?cè)诓ㄐ紊先，B兩點(diǎn)，導(dǎo)通時(shí)間Δt,如下：

兩個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)：A(0,Ic1), B(Δt,Ic2)：

Δt內(nèi)的Ic表達(dá)式：

Δt內(nèi)的導(dǎo)通損耗表達(dá)式及推導(dǎo)：

從波形中可以讀出:Ic1=9.5A, Ic2=14A, Δt=14us,帶入上面公式可以得到

注：關(guān)于Vce-Ic曲線，規(guī)格書中通常會(huì)提供常溫(25度)和高溫(150度或者175度)兩種，為了貼近實(shí)際工作狀態(tài)，建議選擇高溫曲線。

開(kāi)關(guān)損耗-關(guān)斷部分

先看理想的IGBT關(guān)斷波形：

電流線性方程，分別找到電流開(kāi)關(guān)波形中的兩個(gè)坐標(biāo)(0,Ic) 和 (Δt_off, 0) , 那么電流線性方程：

電壓線性方程，同樣找到電壓波形中的兩個(gè)坐標(biāo)(0,0), (Δt_off,Vce), 那么電壓線性方程：

根據(jù)損耗計(jì)算的定義：

實(shí)際的關(guān)斷波形：

基于上面實(shí)際關(guān)斷波形的損耗計(jì)算，想給大家留個(gè)作業(yè)，計(jì)算方法可以參考開(kāi)通損耗部分的計(jì)算推導(dǎo)過(guò)程，感興趣的小伙伴可以試一下。

這樣損耗的計(jì)算方法介紹完了，我們對(duì)于基礎(chǔ)高等數(shù)學(xué)知識(shí)的復(fù)習(xí)也告一段落。

來(lái)源：邱玉強(qiáng)，田斌  英飛凌