聊聊IGBT应用中的热设计

eakja

IGBT应用设计中三大主题：驱动设计、结构设计、热设计。波老师认为热设计最重要，所以先聊聊热设计。（Blato原创首发）

IGBT应用中，驱动设计主要影响IGBT开关的表现和短路保护的安全性，结构设计影响了杂散电感和均流性，而热设计对整个系统是决定性的，它决定了变流器能否达到要求的输出功率等性能指标，而热设计恰恰是刚入行的IGBT应用工程师最容易忽视的问题。（有意思的是人也一样，只要发烧体温超了，人的性能也会大幅下降，封面图片就是波老师38度时的红外成像图）

热设计是个统称，其中包含了发热功率的计算和修正、散热系统的测量验证。我们就从这两个方面展开详细说说。

1- IGBT发热功率的计算和修正

上一期我视频中介绍的IPOSIM就是发热功率的计算工具，IPOSIM是基于PLECS软件基础之上做的应用开发，用户选择拓扑输入条件参数后，网页会把信息发送到后台服务器用PLECS进行运算，然后再把运算结果返回到用户界面，IPOSIM可以覆盖大部分的拓扑结构，因此省去了客户自己用PLECS编程建模的工作，而且是免费开放使用的，省去了客户自己付钱购买PLECS软件，所以真的很感谢英飞凌能提供这样免费优质的服务。

当然如果你系统的拓扑比较复杂或不常见，IPOSIM无法提供相应的选项，你也可以自己用PLECS或其他仿真工具编程计算。当然，还有最原始的方法，拿支笔在纸上算。怎么算？波老师来告诉你：

发热功率分为两部分：导通损耗功率，和开关损耗功率。

不同的拓扑计算的简化公式是不一样的，当然如果不简化那都是一样的，就是把开关过程的每次开关损耗都累加起来，然后再把导通过程中的电压电流相乘积分后累加起来。但是这事基本人没法干只能让计算机干，PLECS软件就是用这个方法。

对于开关电源类拓扑的损耗计算相对简单，因为开关电源基本工作在稳态，每次开关的电流电压是固定的，所以每次的Eon、Eoff也是一定的。

开关损耗功率 Psw = fsw (Eon + Eoff)，fsw为开关频率，Eon、Eoff为实际开关时刻的电压电流对应的损耗。二极管同理Psw = fsw * Erec。

导通损耗功率 Pcond = d * Vcesat（@Ic） * Ic，其中d为IGBT的导通占空比，Ic为实际流过IGBT的电流值，可能是个线性（硬开关）或非线性（LLC）的变化值，如果你追求精确可以用Ic(t)来表示，即随时间变化的Ic方程式。如果你嫌麻烦，可以用一次导通过程中的平均电流作为Ic，虽然有点误差，但是方便很多。Vcesat也是要用此实际导通电流下的饱和压降，千万别用成了IGBT额定电流的饱和压降。二极管同理。

对于SPWM逆变拓扑的计算方法，一般采用论文[D.Srajber,  W. Lukasch: The calculation of the power dissipation for
the IGBT and the inverse diode in circuits with the sinusoidal output voltage; electronica ´92
Proceedings, pp. 51-58] 中介绍的方法，我就直接贴公式了，大家下载IPOSIM离线版的压缩包，里面有一个PDF文件介绍了这些计算公式。

上面是计算方法，而修正的办法如上期视频中所述，需要基于实测的Eon

、Eoff、Erec来选择Rg，并输入实测的散热器热阻（因为结温会影响损耗）。

2- 散热系统的测试验证

IGBT模块的散热系统常见如下图所示。

在上图中，所有的热阻Rth都对应了一段温升ΔT，温升和热阻的关系等同于欧姆定律。

环境温度Ta是很容易准确的测量出来的。

Rthjc是IGBT的datasheet里给出了的。

壳温Tc和散热器温度Th也可以测量，但是测量的精确性不容易保证。

测量方法如下图（截图自英飞凌AN2015-10）：

但是这种测量的准确性不容易控制，需要多次反复测量来验证结果的可信性。为什么测不准？因为热电偶的接触不是那么靠谱，细节我会在以后的文章里介绍。

现在假设你已经能够较准确的测出了Tc，根据公式Rth=ΔT/P，那还需要得到损耗功率P。

损耗功率P是通过计算得出的，但是在实际工作中IGBT会带高压，不容易直接测出IGBT模块的发热功率。如果对计算热阻不放心，也可以用低压直流或交流电源模拟出实际的损耗功率P，来验证计算的P准不准。

方法如下：

- 假设在额定工况下计算出的损耗功率是100W。

- 首先如上述方法在散热器上开槽或打孔埋入热电偶（热电偶的位置要在芯片正下方，芯片位置图可以问厂商）。

-    让变流器工作在额定工况下，实测Tc或Th。

-  然后在此散热器上给IGBT芯片持续导通低压直流电源，控制电源的电流，使IGBT芯片的发热功率等于100W，此时再次实测Tc或Th，通过对比测试结果可以判断出仿真计算的准确性。

- 注意：上述模拟发热的测试Tc会略高于实际工况，因为发热集中在IGBT芯片或二极管芯片，如果追求完美，可以用H桥来控制电流方向和占空比，以精确分配IGBT和二极管的发热功率占比。

- 用(Tc-Ta)/P就等于底壳到环境的热阻Rth_ca，此热阻包含了散热器的热阻和安装接触面（导热介质层）的接触热阻。

有没有觉得很简单？别高兴太早，刚才有个坑还没填上，就是Tc、Th测量准确性的问题。那有没有什么办法绕过这个坑？我想机智的你肯定发现了上图中有块奇怪的黑色不明物。

那其实是未灌胶喷黑的IGBT模块，大图如下：

当我们给这个黑漆漆的IGBT模块通上直流电源模拟损耗功率后，我们要用到一个神器~~~红外成像仪！用来实拍IGBT的芯片结温，如下图：

为啥要喷黑漆？确切的说是无反光黑漆，因为这样符合成像仪默认的红外反射率，否则反射率不对，测量结果就不准了。

另外需要注意的是，红外成像仪测出的芯片表面最高温度也并不是我们通常所指的Tvj，如下图所述，一般的定义是用非绑定线的最高温与两个，边缘点温度求平均得到的温度才是in-situ测试法中对应的Tvj。（注：in-situ 是指电测结温法，用小电流下的饱和压降来推算出结温）

截图自以下论文，请自行搜索原文

测出了结温Tj，直接用（Tj-Ta）/P，即得到整个热阻Rthjc+Rthch+Rthha。

减去已知的Rthjc，就得到了我们接触热阻加散热器热阻了。

按这样去套流程走一遍，散热系统的热阻就清楚得妥妥的了，这时候你可以用刚刚测出的热阻值减去IPOSIM里默认的Rthch，得到散热器的热阻Rthha，用这个热阻输入到IPOSIM里，那计算结果就妥妥得靠谱啦！

总结

波老师不是卖散热器的，所以我只教大家如何验证散热器。

当散热参数准确的掌握后，IGBT在你的变流器里能出多少电流，能工作到多少开关频率，你都了如指掌了，回头你老板或者客户问起来，你也好有个交代是吧？

如果你是用IGBT的小白，觉得波老师写得好，没有写天书，写得都是人类能看懂的语言，那请你帮忙转发，让更多的有需要的，又看不懂天书的人看到。

如果你是大牛，发现了波老师哪里写得不对，恳请你后台留言指正。

上期有几位大牛指正了三相线电压和相电压的换算，波老师已经做了更正，再此由衷的感谢那几位大牛的指正！

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