IGBT功率器件功耗

IGBT等功率電子器件在工作中，由于自身的功率損耗，將引起IGBT溫度升高。引起功率器件發熱的原因主要有兩個，一是功率器件導通時，產生的通態損耗。二是功率器件的開通與關斷過程中產生的開關損耗。IGBT功耗主要由導通損耗和開關損耗構成，需要合理的IGBT散熱裝置將產生的熱量散發出去，保證IGBT變流器設備的可靠運行。

(1) 功率器件導通時，由于自身的導通壓降并不為零，于是將產生通態損耗。通態損耗主要與功率器件的導通壓降、承載電流以及導通占空比有關。設功率器件的導通壓降為Uon，則當器件通過占空比為D，電流幅值為IT的矩形脈沖時，平均通態損耗為

(2) 功率器件在開通與關斷過程中，作用在其上的電壓、電流波形可近似表示為圖1所示形式。功率器件在開通時不能瞬間完全導通，逐漸下降的電壓與逐漸上升的電流將產生開通損耗Pon。功率器件在關斷時不能瞬間完全截止，逐漸下降的電流與逐漸上升的電壓將產生關斷損耗off。開通損耗Pon和關斷損耗Poff的總和即是功率器件的開關損耗Ps。開關損耗主要與功率器件的承載電壓、電流以及開關頻率有關。

對于電阻性負載，依據圖1(a)所示的波形，設功率器件截止時承載的電壓為UT，開通時的電流為IT，開關的頻率為fs，周期為Ts，則在一個開關周期內的平均開關損耗為

對于電感性負載，在電壓、電流相同的情況下，功率器件的平均開關損耗要大干電阻性負載，一般認為其在一個開關周期內平均開關損耗為

開關器件的平均通態損耗Pc與平均開關損耗Ps之和就是開關器件總的功率損耗，它們將轉化為熱量而引起功率器件發熱。

各種功率器件的核心均是半導體PN結，而PN結的性能與溫度密切相關，為此，功率器件均規定了正常工作的最高允許結溫Tjm。為了保證器件正常工作，器件工作時的結溫應始終低于最高允許結溫Tjm。但工程上能夠測量到的結溫實際上是功率器件外殼的平均溫度，由于功率器件內部溫度分布是不均勻的，可能會出現局部高于最高允許結溫的過熱點而使器件損壞。為此，在實際使用中，要降額使用器件的最高允許結溫，且設備的可靠性要求越高，器件最高允許結溫的降額的幅度就越大。如高可靠性商業設備中，功率器件的最高允許結溫取130-150℃，軍用設備取120-135℃，超高可靠性設備則取105℃。

功率器件的結溫與器件自身的功率損耗、器件到外界環境的傳熱條件及環境的溫度有關。由于功率器件的體積較小，其自身向大氣環境的傳熱能力遠低于自身功率損耗所產生的熱量，為此，通常需在功率器件上加裝散熱器，以輔助功率器件將自身的熱量散發到外界環境中。

加裝散熱器主要目的是實現熱傳輸的平衡，使器件的發熱率與散熱率相等，器件的結溫保持穩定。熱傳輸與電傳輸有極大的相似性，遵從熱路歐姆定律，即

式中，Tj，功率器件的結溫;

TA，外界環境的溫度，通常將外界環境的溫度取值為25℃;

P，器件的功率損耗，即熱流(W);

Rθ熱阻(℃/W)。

上式表明，當器件的功率損耗P一定時，器件與外界環境的溫度差Tj-TA同熱阻Rθ成正比，即熱阻越大，器件與外界環境的溫度差就會越大，也即功率器件的結溫就會越高。功率器件的參數表通常給出器件的PN結到外殼的熱阻Rθjc和PN結到大氣環境的熱阻Rθja兩個參數，如功率MOSFET管IRF540參數表給出的PN結到外殼的熱阻Rθjc=1℃/W，PN結到大氣環境的熱阻Rθja=80℃/W。這表明當IRF540不加散熱器時，僅憑器件自身散熱，其與大氣環境的熱阻為Rθja=80℃/W，當器件的功率損耗為1W時，器件與外界環境的溫差就將達到80℃。然而，如果能通過加裝理想的散熱器，使外殼與大氣環境的熱阻為0，則當器件的功率損耗為1W時，器件與外界環境的溫差就僅為1℃。