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PWM方式开关电源中IGBT的损耗分析

添加时间:2017-12-07

  • 在任何装置中使用IGBT 都会遇到IGBT 的选择及热设计问题。当电压应力和电流应力这2 个直观参数确定之后, 最终需要根据IGBT 在应用条件下的损耗及热循环能力来选定IGBT。通常由于使用条件不同, 通过IGBT 数据手册给出的参数不能确切得出应用条件下IGBT 的损耗。比较好的方法是通过测量行业确定IGBT 数据手册中参数的测量条件与实际应用环境的差别, 并介绍IGBT 的损耗的简单测量方法。
    IGBT 参数的定义
    厂商所提供的IGBT 开关参数通常是在纯感性负载下测量的, 图1 和图2 分别是IR 公司和TOSHIBA公司测量开关时间的电路和定义开关时间的波形。其共同特点是: 开通处于续流状态的纯感性负载; 关断有箝位二极管的纯感性负载。有些数据手册还给出了开关过程的能量损失 ,也是在同样条件下测量的。
    对于PWM 方式工作并使用变压器的开关电源, 其工作情况则与之区别很大。图3 是11 kW 半桥型电路及其工作波形, 使用的IGBT 为GA75TS120U。由波形可见, 电流上升时间tr 约为500 ns, 下降时间t f 约为300 ns。但在数据手册中,GA75TS120U 的电流升降时间分别为t r= 100 ns,t f= 80 ns, 与实际工作情况差异较大。其原因主要在于以下2 个方面:
    (1)开通时,图3 中由于变压器漏感的存在, IGBT实际上开通了1 个零电流感性负载, 近似于零电流开通, 电流上升率受漏感充电速度的限制, 因而实际电流上升时间tr 不完全取决于IGBT。而数据手册中给出开通处于续流状态的纯感性负载, 开通瞬间, IGBT 既要承受电感中的电流, 还要承受续流二极管的反向恢复电流, 电流上升率则完全取决于IGBT 的开通速度。
    (2)关断时,图3 中的IGBT 并非是在关断1 个纯感性负载, 而是关断1 个R - L 型负载( 变压器及其负载, 从变压器一次侧可等效为R -L 型负载) ,其电流的下降时间t f 要慢于关断带箝位的纯感性负载。并且, 对于纯感性负载, 只有当IGBT 的集电极电压上升到箝位值后, IGBT 的电流才开始下降( 见图1、图2 中波形) , 而电阻-电感性负载时, 集电极电压和电流几乎是同时变化的( 见图3b 波形) 。
    由于上述原因,图3 中IGBT 的t r、t f 均大于给定值, 但这并不意味着损耗的上升, 因为开关损耗还取决于开关过程中电压电流的"重叠"程度, 而图3中的"重迭"明显不如图1、图2 中严重, 因而整体损耗将下降。

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