大家好，好久沒有更新文章了，一方面由于工作比較忙，再者自己確實(shí)也懶了，統(tǒng)計(jì)了一下平均每天下班后花在手機(jī)上的時(shí)間都要快兩個(gè)小時(shí)了，實(shí)在有點(diǎn)可惜，作為一個(gè)積極向上的有為青年怎么能允許自己這樣墮落下去，所以戒掉手機(jī)，科普文章繼續(xù)搞起來！

這期我們聊一下IGBT耗散功率，經(jīng)常聽到小伙伴問IGBT的[敏感詞]可以跑多少電流？開關(guān)頻率可以做到多高類似的問題。其實(shí)對(duì)IGBT應(yīng)用有所了解的應(yīng)該都知道，這些問題都沒有辦法精確定量地給出結(jié)果。IGBT的開關(guān)頻率和輸出電流大小主要取決于器件的散熱，只要你散熱足夠好，把IGBT產(chǎn)生的熱量及時(shí)帶走，那就可以“超頻”。功率半導(dǎo)體廠商之所以稱有些管子是快管，也是優(yōu)化了IGBT的開關(guān)速度，降低了開關(guān)損耗所為。那IGBT運(yùn)行過程中散熱功耗到底有多大？可能大家并沒有很直觀的概念，今天我們就結(jié)合身邊的一些家用電器和IGBT的功耗橫向?qū)Ρ瓤纯础?/span>

首先，讓我們簡(jiǎn)單的介紹一下IGBT的損耗，IGBT的損耗主要分為開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗兩部分。開關(guān)損耗又分為開通損耗和關(guān)斷損耗，因?yàn)?a target="_blank" title="IGBT" href="/products/igbt-single-tube.html">IGBT大部分應(yīng)用都是感性負(fù)載，在開通的過程中，集電極電流先上升，然后電壓才下降。而對(duì)于關(guān)斷暫態(tài)則相反，IGBT的集電極電壓先建立起來，然后電流才下降，這樣IGBT的開關(guān)過程電壓和電流就會(huì)有交疊部分，這個(gè)過程電壓和電流都為正，兩者相乘功率也為正，因此就會(huì)釋放能量。IGBT雖然是電力電子開關(guān)，但是導(dǎo)通時(shí)不同于機(jī)械開關(guān)，會(huì)存在幾伏的電壓降，因此也會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，稱為導(dǎo)通損耗。

對(duì)于大部分的工業(yè)應(yīng)用，IGBT內(nèi)部都會(huì)有二極管，二極管雖然是無源器件，但是由于旁邊的哥們是開關(guān)器件，自己沒辦法，也不能獨(dú)善其身。IGBT開的有多快，自己關(guān)斷就要多快，但是先天性的材料特性就決定了自己沒那個(gè)瞬間關(guān)斷能力，這樣二極管就會(huì)在短時(shí)內(nèi)同時(shí)承受反向電壓和反向電流，此時(shí)兩者相乘功率為正，因此也要釋放能量。二極管正向開通也會(huì)產(chǎn)生一部分損耗，但是相比關(guān)斷損耗較小，因此二極管的開關(guān)損耗主要指關(guān)斷損耗。同時(shí)由于反向關(guān)斷需要一定的恢復(fù)時(shí)間，因此二極管的開關(guān)損耗也稱為反向恢復(fù)損耗。二極管的和IGBT一樣，雖然都采用了電導(dǎo)調(diào)制方法降低正向電壓，但依然有1-2V的正向壓降，在大電流下不能忽略，這就是二極管的導(dǎo)通損耗。想想二極管也不容易，不但承受旁邊老大哥的壓力，還有被新材料SiC二極管小弟代替的風(fēng)險(xiǎn)，可見二極管的抗壓能力也非同一般。。。，有點(diǎn)跑題了，繼續(xù)。。。

了解了IGBT開關(guān)損耗后，讓我們?cè)倏纯?span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; font-family: "Times New Roman";">IGBT的損耗計(jì)算，在這里老耿想給大家看一個(gè)奇葩的算法，目的是讓大家先對(duì)IGBT耗散功率和能量的關(guān)系有個(gè)深入的理解。在這里我們還是以英飛凌的1700V 1400A模塊為例進(jìn)行簡(jiǎn)單說明，型號(hào)為FF1400R17IP4。看過往期內(nèi)容的小伙伴可能會(huì)問老耿你怎么總拿這個(gè)管子舉例子，記住一句話，哥是搞大功率，最開始接觸的就是這個(gè)模塊，對(duì)這個(gè)模塊有著深厚感情。下面看一下這個(gè)模塊的開關(guān)損耗和電流的對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如下圖所示：

可以看出隨著電流增大IGBT開關(guān)損耗是變大的，而且損耗還和溫度有關(guān)系。對(duì)于1400A的模塊，散熱好的情況下可以跑到800A，那我們就以800A為例進(jìn)行計(jì)算，通過上圖不難發(fā)現(xiàn)IGBT在125℃ 800A電流下的每次開通損耗是280mJ，單位也可以是mWs，關(guān)斷損耗是420mJ，那總的每次開關(guān)損耗就是700mJ。假設(shè)IGBT的開關(guān)頻率為2kHz，那IGBT的1s就會(huì)產(chǎn)生700mJ *2000= 1400J的熱量，等同于1個(gè)小時(shí)消耗1.4度電。那1s產(chǎn)生1400J相當(dāng)于多大功率的用電設(shè)備呢？經(jīng)過簡(jiǎn)單換算可以等效為一個(gè)1400W的家用電器，老耿看了一圈家里的電器，發(fā)現(xiàn)正在冒著水蒸氣的熱水壺，看了一下名牌1500W，很巧和模塊的功耗差不多。

有些小伙伴可能會(huì)說你這也太不專業(yè)了，怎么能這么算呢？是的，上面的計(jì)算確實(shí)沒啥意義，因?yàn)樗撾x了實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)也沒有考慮導(dǎo)通損耗，二極管損耗等等。老耿的主要目的是給大家科普一下功率和能量的區(qū)別，你只要覺得有收獲就可以了。實(shí)際上IGBT的損耗計(jì)算公式比較復(fù)雜，與電路拓?fù)洹⒐β室驍?shù)、PWM調(diào)制方法等等都有關(guān)系。詳細(xì)的計(jì)算公式網(wǎng)上資源很多，大家可以自己去找找，大部分都源于英飛凌的一篇文檔“Dimensioning program IPOSIM for loss and thermal calculation of Infineon IGBT modules”，如果找不到也可以聯(lián)系老耿，聯(lián)系方式往期都有。下面我們就基于英飛凌的IPOSIM仿真軟件舉兩個(gè)常用IGBT逆變器耗散功率的例子，看看IGBT工作時(shí)的損耗到底有多大？

現(xiàn)在新能源電動(dòng)汽車這么火，我們就以英飛凌HP Drive模塊 FS820R08A6P2B為例進(jìn)行說明，這是一個(gè)6單元的汽車級(jí)功率模塊，據(jù)搞新能源的朋友說該模塊在蔚來、吉利、通用別克都有應(yīng)用，是一款明星產(chǎn)品。該模塊額定電壓750V、電流820A，內(nèi)部包含了6個(gè)IGBT，采用該模塊做成的驅(qū)動(dòng)器輸出功率可達(dá)200kW，這個(gè)功率用在乘用車上推背感[敏感詞]是杠杠的，模塊的圖片還有內(nèi)部電路如下圖所示：

采用英飛凌IPOSIM進(jìn)行簡(jiǎn)單的功耗仿真，在電池電壓400V，輸出電路500A，開關(guān)頻率8kHz的情況下，單個(gè)IGBT的耗散功率為500W，那整個(gè)模塊的耗散功率在3000W左右。老耿又看了一圈家里的電器，發(fā)現(xiàn)洗澡用的熱水器功率居然正好也是3000W，這也太巧了吧。這時(shí)候肯定有小伙伴會(huì)說，老耿你怎么這么會(huì)算呢，哈哈，你懂的。。。很難想象這么一個(gè)手掌大小的模塊，工作時(shí)居然能產(chǎn)生這么大的功耗。

上面的模塊散熱功率已經(jīng)不小了，我么再搞個(gè)大模塊，以中壓3300V大功率三電平變頻器為例進(jìn)行說明，變頻器采用4500V 1200A的IHV封裝模塊，輸出電流500A，三電平一共需要12個(gè)IGBT模塊和6個(gè)二極管，如下圖：

在半母線電壓2800V，輸出電流500A，開關(guān)頻率1kHz的仿真數(shù)據(jù)如下所示，可以看三電平的外管開關(guān)損耗接近2500W，內(nèi)管的開關(guān)損耗只有740W，主要是跟逆變器的工況有關(guān)系，后面有機(jī)會(huì)可以專門給大家聊一下這個(gè)話題，這期就不說了。

經(jīng)過簡(jiǎn)單計(jì)算單個(gè)三電平橋臂總的功耗在8400W，那三相總的功耗在25kW左右，這個(gè)功率損耗還是很大的，不過這時(shí)候變頻器輸出功率也很大，都將近3MW了。環(huán)顧一周家里好像沒這么大的電器了，突然想到前段時(shí)間剛交了電費(fèi)，看了一下單子每個(gè)月平均200度電，100塊錢的電費(fèi)，這樣每天大概7度電，3.5元。這個(gè)用電應(yīng)該能代表大部分家庭，那如果上面提到的變頻器滿載運(yùn)行，IGBT產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于多少用戶的用電量呢？一天浪費(fèi)的電費(fèi)又是多少呢？感興趣的小伙伴可以自己算下，這里直接給出答案：89戶，312元，是不是很驚訝，差不多夠一棟樓的用戶用電量了。哦，有些小伙伴提醒要按照工業(yè)電費(fèi)計(jì)算，好吧，那價(jià)格更高了。。。

 上面的一些案例只是些簡(jiǎn)單的仿真數(shù)據(jù)，和實(shí)際應(yīng)用還有一定的差距，大家不要太認(rèn)真哦，權(quán)當(dāng)科普就可以了，不過也不難發(fā)現(xiàn)IGBT的散熱有多關(guān)鍵，這么大的熱量處理不好，那就危險(xiǎn)了。。。

好了，今天就給大家分享到這里，以上內(nèi)容若有不對(duì)之處，請(qǐng)大家批評(píng)指正！如果您覺得有所收獲，請(qǐng)幫忙點(diǎn)贊，轉(zhuǎn)發(fā)，使本文被更多需要的人看到，謝謝！

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