IGBT應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要影響IGBT開(kāi)關(guān)的表現(xiàn)和短路保護(hù)的安全性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響了雜散電感和均流性，而熱設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)是決定性的，它決定了變流器能否達(dá)到要求的輸出功率等性能指標(biāo)，而熱設(shè)計(jì)恰恰是剛?cè)胄械腎GBT應(yīng)用工程師最容易忽視的問(wèn)題。

熱設(shè)計(jì)是個(gè)統(tǒng)稱(chēng)，其中包含了發(fā)熱功率的計(jì)算和修正、散熱系統(tǒng)的測(cè)量驗(yàn)證。我們就從這兩個(gè)方面展開(kāi)詳細(xì)說(shuō)說(shuō)。

1- IGBT發(fā)熱功率的計(jì)算和修正

上一期我視頻中介紹的IPOSIM就是發(fā)熱功率的計(jì)算工具，IPOSIM是基于PLECS軟件基礎(chǔ)之上做的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，用戶(hù)選擇拓?fù)漭斎霔l件參數(shù)后，網(wǎng)頁(yè)會(huì)把信息發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器用PLECS進(jìn)行運(yùn)算，然后再把運(yùn)算結(jié)果返回到用戶(hù)界面，IPOSIM可以覆蓋大部分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此省去了客戶(hù)自己用PLECS編程建模的工作，而且是免費(fèi)開(kāi)放使用的，省去了客戶(hù)自己付錢(qián)購(gòu)買(mǎi)PLECS軟件，所以真的很感謝英飛凌能提供這樣免費(fèi)優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

當(dāng)然如果你系統(tǒng)的拓?fù)浔容^復(fù)雜或不常見(jiàn)，IPOSIM無(wú)法提供相應(yīng)的選項(xiàng)，你也可以自己用PLECS或其他仿真工具編程計(jì)算。當(dāng)然，還有最原始的方法，拿支筆在紙上算。怎么算？波老師來(lái)告訴你：

發(fā)熱功率分為兩部分：導(dǎo)通損耗功率，和開(kāi)關(guān)損耗功率。

不同的拓?fù)溆?jì)算的簡(jiǎn)化公式是不一樣的，當(dāng)然如果不簡(jiǎn)化那都是一樣的，就是把開(kāi)關(guān)過(guò)程的每次開(kāi)關(guān)損耗都累加起來(lái)，然后再把導(dǎo)通過(guò)程中的電壓電流相乘積分后累加起來(lái)。但是這事基本人沒(méi)法干只能讓計(jì)算機(jī)干，PLECS軟件就是用這個(gè)方法。

對(duì)于開(kāi)關(guān)電源類(lèi)拓?fù)涞膿p耗計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源基本工作在穩(wěn)態(tài)，每次開(kāi)關(guān)的電流電壓是固定的，所以每次的Eon、Eoff也是一定的。

開(kāi)關(guān)損耗功率 Psw = fsw (Eon + Eoff)，fsw為開(kāi)關(guān)頻率，Eon、Eoff為實(shí)際開(kāi)關(guān)時(shí)刻的電壓電流對(duì)應(yīng)的損耗。二極管同理Psw = fsw * Erec。

導(dǎo)通損耗功率 Pcond = d * Vcesat（@Ic） * Ic，其中d為IGBT的導(dǎo)通占空比，Ic為實(shí)際流過(guò)IGBT的電流值，可能是個(gè)線(xiàn)性（硬開(kāi)關(guān)）或非線(xiàn)性（LLC）的變化值，如果你追求精確可以用Ic(t)來(lái)表示，即隨時(shí)間變化的Ic方程式。如果你嫌麻煩，可以用一次導(dǎo)通過(guò)程中的平均電流作為Ic，雖然有點(diǎn)誤差，但是方便很多。Vcesat也是要用此實(shí)際導(dǎo)通電流下的飽和壓降，千萬(wàn)別用成了IGBT額定電流的飽和壓降。二極管同理。

對(duì)于SPWM逆變拓?fù)涞挠?jì)算方法，一般采用論文[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 ′92Proceedings, pp. 51-58] 中介紹的方法，我就直接貼公式了，大家下載IPOSIM離線(xiàn)版的壓縮包，里面有一個(gè)PDF文件介紹了這些計(jì)算公式。

上面是計(jì)算方法，而修正的辦法如上期視頻中所述，需要基于實(shí)測(cè)的Eon

、Eoff、Erec來(lái)選擇Rg，并輸入實(shí)測(cè)的散熱器熱阻（因?yàn)榻Y(jié)溫會(huì)影響損耗）。

2- 散熱系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證

IGBT模塊的散熱系統(tǒng)常見(jiàn)如下圖所示。

在上圖中，所有的熱阻Rth都對(duì)應(yīng)了一段溫升ΔT，溫升和熱阻的關(guān)系等同于歐姆定律。

環(huán)境溫度Ta是很容易準(zhǔn)確的測(cè)量出來(lái)的。

Rthjc是IGBT的datasheet里給出了的。

恒溫Tc和散熱器溫度Th也可以測(cè)量，但是測(cè)量的精確性不容易保證。

測(cè)量方法如下圖（截圖自英飛凌AN2015-10）：

但是這種測(cè)量的準(zhǔn)確性不容易控制，需要多次反復(fù)測(cè)量來(lái)驗(yàn)證結(jié)果的可信性。為什么測(cè)不準(zhǔn)？因?yàn)闊犭娕嫉慕佑|不是那么靠譜，細(xì)節(jié)我會(huì)在以后的文章里介紹。

現(xiàn)在假設(shè)你已經(jīng)能夠較準(zhǔn)確的測(cè)出了Tc，根據(jù)公式Rth=ΔT/P，那還需要得到損耗功率P。

損耗功率P是通過(guò)計(jì)算得出的，但是在實(shí)際工作中IGBT會(huì)帶高壓，不容易直接測(cè)出IGBT模塊的發(fā)熱功率。如果對(duì)計(jì)算熱阻不放心，也可以用低壓直流或交流電源模擬出實(shí)際的損耗功率P，來(lái)驗(yàn)證計(jì)算的P準(zhǔn)不準(zhǔn)。

方法如下：

- 假設(shè)在額定工況下計(jì)算出的損耗功率是100W。

- 首先如上述方法在散熱器上開(kāi)槽或打孔埋入熱電偶（熱電偶的位置要在芯片正下方，芯片位置圖可以問(wèn)廠(chǎng)商）。

- 讓變流器工作在額定工況下，實(shí)測(cè)Tc或Th。

- 然后在此散熱器上給IGBT芯片持續(xù)導(dǎo)通低壓直流電源，控制電源的電流，使IGBT芯片的發(fā)熱功率等于100W，此時(shí)再次實(shí)測(cè)Tc或Th，通過(guò)對(duì)比測(cè)試結(jié)果可以判斷出仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。

- 注意：上述模擬發(fā)熱的測(cè)試Tc會(huì)略高于實(shí)際工況，因?yàn)榘l(fā)熱集中在IGBT芯片或二極管芯片，如果追求完美，可以用H橋來(lái)控制電流方向和占空比，以精確分配IGBT和二極管的發(fā)熱功率占比。

- 用(Tc-Ta)/P就等于底殼到環(huán)境的熱阻Rth_ca，此熱阻包含了散熱器的熱阻和安裝接觸面（導(dǎo)熱介質(zhì)層）的接觸熱阻。

有沒(méi)有覺(jué)得很簡(jiǎn)單？別高興太早，剛才有個(gè)坑還沒(méi)填上，就是Tc、Th測(cè)量準(zhǔn)確性的問(wèn)題。那有沒(méi)有什么辦法繞過(guò)這個(gè)坑？我想機(jī)智的你肯定發(fā)現(xiàn)了上圖中有塊奇怪的黑色不明物。

那其實(shí)是未灌膠噴黑的IGBT模塊，大圖如下：

當(dāng)我們給這個(gè)黑漆漆的IGBT模塊通上直流電源模擬損耗功率后，我們要用到一個(gè)神器~~~紅外成像儀！用來(lái)實(shí)拍IGBT的芯片結(jié)溫，如下圖：

為啥要噴黑漆？確切地說(shuō)是無(wú)反光黑漆，因?yàn)檫@樣符合成像儀默認(rèn)的紅外反射率，否則反射率不對(duì)，測(cè)量結(jié)果就不準(zhǔn)了。

另外需要注意的是，紅外成像儀測(cè)出的芯片表面最高溫度也并不是我們通常所指的Tvj，如下圖所述，一般的定義是用非綁定線(xiàn)的最高溫與兩個(gè)，邊緣點(diǎn)溫度求平均得到的溫度才是in-situ測(cè)試法中對(duì)應(yīng)的Tvj。（注：in-situ 是指電測(cè)結(jié)溫法，用小電流下的飽和壓降來(lái)推算出結(jié)溫）

測(cè)出了結(jié)溫Tj，直接用（Tj-Ta）/P，即得到整個(gè)熱阻Rthjc+Rthch+Rthha。

減去已知的Rthjc，就得到了我們接觸熱阻加散熱器熱阻了。

按這樣去套流程走一遍，散熱系統(tǒng)的熱阻就清楚得妥妥的了，這時(shí)候你可以用剛剛測(cè)出的熱阻值減去IPOSIM里默認(rèn)的Rthch，得到散熱器的熱阻Rthha，用這個(gè)熱阻輸入到IPOSIM里，那計(jì)算結(jié)果就妥妥得靠譜啦！
編輯：hfy