IGBT模塊損耗、溫度與安全工作區

IGBT并不是一個理想開關，主要體現在：

這是IGBT產生損耗的根源。Vcesat造成導通損耗，Eon和Eoff造成開關損耗。
導通損耗 + 開關損耗 = IGBT總損耗。

FWD也存在兩方面的損耗，因為：

Vf造成導通損耗，Erec造成開關損耗。
導通損耗 + 開關損耗 = FWD總損耗
Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec體現了IGBT/FWD芯片的技術特征。因此IGBT/FWD芯片技術不同，Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec也不同。
IGBT的總損耗可分為靜態損耗和動態損耗。其中靜態損耗包括通態損耗和斷態損耗；動態損耗（開關損耗），包括開通損耗和關斷損耗。器件處于關斷時，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，因此計算靜態損耗的時候，可以不考慮斷態損耗。我們平常所說的靜態損耗，一般是指通態損耗。

IGBT模塊的損耗-IGBT導通損耗：
IGBT開通后，工作在飽和狀態下，IGBT集射極間電壓基本不變，約等于飽和電壓Vcesat。
IGBT通態損耗是指IGBT導通過程中，由于導通壓降Vcesat而產生的損耗。
Vcesat和Ic的關系可以用下圖的近似線性法來表示：
Vcesat = Vt0 + Rce * Ic
IGBT的導通損耗：
Pcond = d * Vcesat * Ic，其中d為IGBT的導通占空比。
IGBT飽和電壓的大小，與通過的電流Ic，芯片的結溫Tj和門極電壓Vge有關。
模塊規格書里給出了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(模塊的標稱電流)，VGE=+15V。

IGBT模塊的損耗-IGBT開關損耗：
IGBT之所以存在開關能耗，是因為在開通和關斷的瞬間，電流和電壓有重疊期。
隨著開關頻率的提高，開關損耗在整個器件損耗中的比例也變得比較大，開關損耗包括開通損耗和關斷損耗兩部分。在給定環境條件下，器件導通或關斷時的能量損耗（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的開關損耗：
P_SW = Fsw * (Eon + Eoff)，f_SW為開關頻率。
IGBT開關能耗的大小與開關時的電流（Ic）、電壓（Vce）和芯片的結溫（Tj）有關。
模塊規格書里給出了IGBT開關能耗的特征值：Eon，Eoff及測試條件。
英飛凌的IGBT模塊規格書里給出了兩個測試條件下的開關能耗特征值：
（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。電流均為I_C,NOM(模塊的標稱電流)。

IGBT模塊的損耗-FWD開關損耗：
反向恢復是FWD的固有特性，發生在由正向導通轉為反向阻斷的瞬間，表現為通過反向電流后再恢復為反向阻斷狀態。
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的開關損耗：
Prec = f_SW * Erec，fSW為開關頻率。
FWD反向恢復能耗的大小與正向導通時的電流（If）、電流變化率dif/dt、反向電壓（Vr）、和芯片的結溫（Tj）有關。
模塊規格書里給出了IGBT反向恢復能耗的特征值：E_REC，及測試條件。
英飛凌的IGBT模塊規格書里給出了兩個測試條件下的反向恢復能耗特征值：
（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。電流均為I_F,NOM（模塊的標稱電流）。

IGBT模塊的損耗-小結：
IGBT:
導通損耗：

開關損耗：

FWD:
導通損耗：

開關損耗：

系統總的損耗：
單個IGBT總的損耗P_Tr為通態損耗與開關損耗之和，單個反并聯二極管總的損耗P_D為通態損耗和開關損耗之和。以變頻器為例，系統總的損耗Ptot為6個IGBT和6個二極管損耗之和。