IGBT功率器件功耗

IGBT等功率電子器件在工作中，由于自身的功率損耗，將引起IGBT溫度升高。引起功率器件發(fā)熱的原因主要有兩個(gè)，一是功率器件導(dǎo)通時(shí)，產(chǎn)生的通態(tài)損耗。二是功率器件的開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗。IGBT功耗主要由導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗構(gòu)成，需要合理的IGBT散熱裝置將產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，保證IGBT變流器設(shè)備的可靠運(yùn)行。

(1) 功率器件導(dǎo)通時(shí)，由于自身的導(dǎo)通壓降并不為零，于是將產(chǎn)生通態(tài)損耗。通態(tài)損耗主要與功率器件的導(dǎo)通壓降、承載電流以及導(dǎo)通占空比有關(guān)。設(shè)功率器件的導(dǎo)通壓降為Uon，則當(dāng)器件通過(guò)占空比為D，電流幅值為IT的矩形脈沖時(shí)，平均通態(tài)損耗為

(2) 功率器件在開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中，作用在其上的電壓、電流波形可近似表示為圖1所示形式。功率器件在開(kāi)通時(shí)不能瞬間完全導(dǎo)通，逐漸下降的電壓與逐漸上升的電流將產(chǎn)生開(kāi)通損耗Pon。功率器件在關(guān)斷時(shí)不能瞬間完全截止，逐漸下降的電流與逐漸上升的電壓將產(chǎn)生關(guān)斷損耗off。開(kāi)通損耗Pon和關(guān)斷損耗Poff的總和即是功率器件的開(kāi)關(guān)損耗Ps。開(kāi)關(guān)損耗主要與功率器件的承載電壓、電流以及開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)。

對(duì)于電阻性負(fù)載，依據(jù)圖1(a)所示的波形，設(shè)功率器件截止時(shí)承載的電壓為UT，開(kāi)通時(shí)的電流為IT，開(kāi)關(guān)的頻率為fs，周期為T(mén)s，則在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均開(kāi)關(guān)損耗為

對(duì)于電感性負(fù)載，在電壓、電流相同的情況下，功率器件的平均開(kāi)關(guān)損耗要大干電阻性負(fù)載，一般認(rèn)為其在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)平均開(kāi)關(guān)損耗為

開(kāi)關(guān)器件的平均通態(tài)損耗Pc與平均開(kāi)關(guān)損耗Ps之和就是開(kāi)關(guān)器件總的功率損耗，它們將轉(zhuǎn)化為熱量而引起功率器件發(fā)熱。

各種功率器件的核心均是半導(dǎo)體PN結(jié)，而PN結(jié)的性能與溫度密切相關(guān)，為此，功率器件均規(guī)定了正常工作的最高允許結(jié)溫Tjm。為了保證器件正常工作，器件工作時(shí)的結(jié)溫應(yīng)始終低于最高允許結(jié)溫Tjm。但工程上能夠測(cè)量到的結(jié)溫實(shí)際上是功率器件外殼的平均溫度，由于功率器件內(nèi)部溫度分布是不均勻的，可能會(huì)出現(xiàn)局部高于最高允許結(jié)溫的過(guò)熱點(diǎn)而使器件損壞。為此，在實(shí)際使用中，要降額使用器件的最高允許結(jié)溫，且設(shè)備的可靠性要求越高，器件最高允許結(jié)溫的降額的幅度就越大。如高可靠性商業(yè)設(shè)備中，功率器件的最高允許結(jié)溫取130-150℃，軍用設(shè)備取120-135℃，超高可靠性設(shè)備則取105℃。

功率器件的結(jié)溫與器件自身的功率損耗、器件到外界環(huán)境的傳熱條件及環(huán)境的溫度有關(guān)。由于功率器件的體積較小，其自身向大氣環(huán)境的傳熱能力遠(yuǎn)低于自身功率損耗所產(chǎn)生的熱量，為此，通常需在功率器件上加裝散熱器，以輔助功率器件將自身的熱量散發(fā)到外界環(huán)境中。

加裝散熱器主要目的是實(shí)現(xiàn)熱傳輸?shù)钠胶猓蛊骷陌l(fā)熱率與散熱率相等，器件的結(jié)溫保持穩(wěn)定。熱傳輸與電傳輸有極大的相似性，遵從熱路歐姆定律，即

式中，Tj，功率器件的結(jié)溫;

TA，外界環(huán)境的溫度，通常將外界環(huán)境的溫度取值為25℃;

P，器件的功率損耗，即熱流(W);

Rθ熱阻(℃/W)。

上式表明，當(dāng)器件的功率損耗P一定時(shí)，器件與外界環(huán)境的溫度差Tj-TA同熱阻Rθ成正比，即熱阻越大，器件與外界環(huán)境的溫度差就會(huì)越大，也即功率器件的結(jié)溫就會(huì)越高。功率器件的參數(shù)表通常給出器件的PN結(jié)到外殼的熱阻Rθjc和PN結(jié)到大氣環(huán)境的熱阻Rθja兩個(gè)參數(shù)，如功率MOSFET管IRF540參數(shù)表給出的PN結(jié)到外殼的熱阻Rθjc=1℃/W，PN結(jié)到大氣環(huán)境的熱阻Rθja=80℃/W。這表明當(dāng)IRF540不加散熱器時(shí)，僅憑器件自身散熱，其與大氣環(huán)境的熱阻為Rθja=80℃/W，當(dāng)器件的功率損耗為1W時(shí)，器件與外界環(huán)境的溫差就將達(dá)到80℃。然而，如果能通過(guò)加裝理想的散熱器，使外殼與大氣環(huán)境的熱阻為0，則當(dāng)器件的功率損耗為1W時(shí)，器件與外界環(huán)境的溫差就僅為1℃。