IGBT模块损耗、温度与安全工作区

IGBT并不是一个理想开关，主要体现在：

这是IGBT产生损耗的根源。Vcesat造成导通损耗，Eon和Eoff造成开关损耗。
导通损耗 + 开关损耗 = IGBT总损耗。

FWD也存在两方面的损耗，因为：

Vf造成导通损耗，Erec造成开关损耗。
导通损耗 + 开关损耗 = FWD总损耗
Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec体现了IGBT/FWD芯片的技术特征。因此IGBT/FWD芯片技术不同，Vcesat，Eon，Eoff，Vf和Erec也不同。
IGBT的总损耗可分为静态损耗和动态损耗。其中静态损耗包括通态损耗和断态损耗；动态损耗（开关损耗），包括开通损耗和关断损耗。器件处于关断时，器件中流过的电流约等于零，电压、电流乘积很小，可以忽略不计，因此计算静态损耗的时候，可以不考虑断态损耗。我们平常所说的静态损耗，一般是指通态损耗。

IGBT模块的损耗-IGBT导通损耗：
IGBT开通后，工作在饱和状态下，IGBT集射极间电压基本不变，约等于饱和电压Vcesat。
IGBT通态损耗是指IGBT导通过程中，由于导通压降Vcesat而产生的损耗。
Vcesat和Ic的关系可以用下图的近似线性法来表示：
Vcesat = Vt0 + Rce * Ic
IGBT的导通损耗：
Pcond = d * Vcesat * Ic，其中d为IGBT的导通占空比。
IGBT饱和电压的大小，与通过的电流Ic，芯片的结温Tj和门极电压Vge有关。
模块规格书里给出了IGBT饱和电压的特征值：Vcesat，及测试条件。
英飞凌的IGBT模块规格书里给出了两个测试条件下的饱和电压特征值：
（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。电流均为Ic,nom(模块的标称电流)，VGE=+15V。

IGBT模块的损耗-IGBT开关损耗：
IGBT之所以存在开关能耗，是因为在开通和关断的瞬间，电流和电压有重叠期。
随着开关频率的提高，开关损耗在整个器件损耗中的比例也变得比较大，开关损耗包括开通损耗和关断损耗两部分。在给定环境条件下，器件导通或关断时的能量损耗（焦耳）可以通过间接地将电流和电压相乘再对时间积分这种方法得到，同时需考虑实际电流与参考电流之间的差异。
在Vce与测试条件接近的情况，Eon和Eoff可近似地看作与Ic和Vce成正比：
Eon = E_ON * I_C/I_C,_NOM * Vce / 测试条件
Eoff = E_OFF * I_C/I_C,_NOM * Vce / 测试条件
IGBT的开关损耗：
P_SW = Fsw * (Eon + Eoff)，f_SW为开关频率。
IGBT开关能耗的大小与开关时的电流（Ic）、电压（Vce）和芯片的结温（Tj）有关。
模块规格书里给出了IGBT开关能耗的特征值：Eon，Eoff及测试条件。
英飞凌的IGBT模块规格书里给出了两个测试条件下的开关能耗特征值：
（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。电流均为I_C,NOM(模块的标称电流)。

IGBT模块的损耗-FWD开关损耗：
反向恢复是FWD的固有特性，发生在由正向导通转为反向阻断的瞬间，表现为通过反向电流后再恢复为反向阻断状态。
在Vr与测试条件接近的情况，Erec可近似地看作与If和Vr成正比：
Erec = E_REC * If /I_F,NOM * Vr/测试条件
FWD的开关损耗：
Prec = f_SW * Erec，fSW为开关频率。
FWD反向恢复能耗的大小与正向导通时的电流（If）、电流变化率dif/dt、反向电压（Vr）、和芯片的结温（Tj）有关。
模块规格书里给出了IGBT反向恢复能耗的特征值：E_REC，及测试条件。
英飞凌的IGBT模块规格书里给出了两个测试条件下的反向恢复能耗特征值：
（1）Tj=25度；（2）Tj=125度。电流均为I_F,NOM（模块的标称电流）。

IGBT模块的损耗-小结：
IGBT:
导通损耗：

开关损耗：

FWD:
导通损耗：

开关损耗：

系统总的损耗：
单个IGBT总的损耗P_Tr为通态损耗与开关损耗之和，单个反并联二极管总的损耗P_D为通态损耗和开关损耗之和。以变频器为例，系统总的损耗Ptot为6个IGBT和6个二极管损耗之和。