IGBT模塊損耗、溫度與安全工作區(qū)

IGBT并不是一個理想開關(guān)，主要體現(xiàn)在：

這是IGBT產(chǎn)生損耗的根源。Vcesat造成導(dǎo)通損耗，Eon和Eoff造成開關(guān)損耗。
導(dǎo)通損耗 + 開關(guān)損耗 = IGBT總損耗。

FWD也存在兩方面的損耗，因為：

Vf造成導(dǎo)通損耗，Erec造成開關(guān)損耗。
導(dǎo)通損耗 + 開關(guān)損耗 = FWD總損耗
Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec體現(xiàn)了IGBT/FWD芯片的技術(shù)特征。因此IGBT/FWD芯片技術(shù)不同，Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec也不同。
IGBT的總損耗可分為靜態(tài)損耗和動態(tài)損耗。其中靜態(tài)損耗包括通態(tài)損耗和斷態(tài)損耗；動態(tài)損耗（開關(guān)損耗），包括開通損耗和關(guān)斷損耗。器件處于關(guān)斷時，器件中流過的電流約等于零，電壓、電流乘積很小，可以忽略不計，因此計算靜態(tài)損耗的時候，可以不考慮斷態(tài)損耗。我們平常所說的靜態(tài)損耗，一般是指通態(tài)損耗。

IGBT模塊的損耗-IGBT導(dǎo)通損耗：
IGBT開通后，工作在飽和狀態(tài)下，IGBT集射極間電壓基本不變，約等于飽和電壓Vcesat。
IGBT通態(tài)損耗是指IGBT導(dǎo)通過程中，由于導(dǎo)通壓降Vcesat而產(chǎn)生的損耗。
Vcesat和Ic的關(guān)系可以用下圖的近似線性法來表示：
Vcesat = Vt0 + Rce * Ic
IGBT的導(dǎo)通損耗：
Pcond = d * Vcesat * Ic，其中d為IGBT的導(dǎo)通占空比。
IGBT飽和電壓的大小，與通過的電流Ic，芯片的結(jié)溫Tj和門極電壓Vge有關(guān)。
模塊規(guī)格書里給出了IGBT飽和電壓的特征值：Vcesat，及測試條件。
英飛凌的IGBT模塊規(guī)格書里給出了兩個測試條件下的飽和電壓特征值：
（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。電流均為Ic,nom(模塊的標(biāo)稱電流)，VGE=+15V。

IGBT模塊的損耗-IGBT開關(guān)損耗：
IGBT之所以存在開關(guān)能耗，是因為在開通和關(guān)斷的瞬間，電流和電壓有重疊期。
隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗在整個器件損耗中的比例也變得比較大，開關(guān)損耗包括開通損耗和關(guān)斷損耗兩部分。在給定環(huán)境條件下，器件導(dǎo)通或關(guān)斷時的能量損耗（焦耳）可以通過間接地將電流和電壓相乘再對時間積分這種方法得到，同時需考慮實際電流與參考電流之間的差異。
在Vce與測試條件接近的情況，Eon和Eoff可近似地看作與Ic和Vce成正比：
Eon = E_ON * I_C/I_C,_NOM * Vce / 測試條件
Eoff = E_OFF * I_C/I_C,_NOM * Vce / 測試條件
IGBT的開關(guān)損耗：
P_SW = Fsw * (Eon + Eoff)，f_SW為開關(guān)頻率。
IGBT開關(guān)能耗的大小與開關(guān)時的電流（Ic）、電壓（Vce）和芯片的結(jié)溫（Tj）有關(guān)。
模塊規(guī)格書里給出了IGBT開關(guān)能耗的特征值：Eon，Eoff及測試條件。
英飛凌的IGBT模塊規(guī)格書里給出了兩個測試條件下的開關(guān)能耗特征值：
（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。電流均為I_C,NOM(模塊的標(biāo)稱電流)。

IGBT模塊的損耗-FWD開關(guān)損耗：
反向恢復(fù)是FWD的固有特性，發(fā)生在由正向?qū)�通轉(zhuǎn)為反向阻斷的瞬間，表現(xiàn)為通過反向電流后再恢復(fù)為反向阻斷狀態(tài)。
在Vr與測試條件接近的情況，Erec可近似地看作與If和Vr成正比：
Erec = E_REC * If /I_F,NOM * Vr/測試條件
FWD的開關(guān)損耗：
Prec = f_SW * Erec，fSW為開關(guān)頻率。
FWD反向恢復(fù)能耗的大小與正向?qū)�通時的電流（If）、電流變化率dif/dt、反向電壓（Vr）、和芯片的結(jié)溫（Tj）有關(guān)。
模塊規(guī)格書里給出了IGBT反向恢復(fù)能耗的特征值：E_REC，及測試條件。
英飛凌的IGBT模塊規(guī)格書里給出了兩個測試條件下的反向恢復(fù)能耗特征值：
（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。電流均為I_F,NOM（模塊的標(biāo)稱電流）。

IGBT模塊的損耗-小結(jié)：
IGBT:
導(dǎo)通損耗：

開關(guān)損耗：

FWD:
導(dǎo)通損耗：

開關(guān)損耗：

系統(tǒng)總的損耗：
單個IGBT總的損耗P_Tr為通態(tài)損耗與開關(guān)損耗之和，單個反并聯(lián)二極管總的損耗P_D為通態(tài)損耗和開關(guān)損耗之和。以變頻器為例，系統(tǒng)總的損耗Ptot為6個IGBT和6個二極管損耗之和。