IGBT功率损耗计算--蔡华

---手算、Psim热模型、IPOSIM计算

蔡 华

目的：对Psim中IGBT热模型功率计算方法进行验证，以便后期使用参考。 方法：(1)根据器件手册计算；

(2)根据英飞凌官方提供的计算工具核对.

条件：经典的Buck电路；

输入电压：1000V； 输出电压：500V； 输出电感：1mH； 负载电阻：5Ω； 开关频率：5kHz 占空比：0.5；

IGBT：英飞凌FF300R17ME4。 Psim仿真电路见图1。

图 1 Psim仿真模型

英飞凌网站主页IPOSIM工具入口方法见图2。 英飞凌官方功率计算网站

http://infineon.transim.com/iposim/HighPower/All/TopologySelection.aspx

图 2 英飞凌网站主页IPOSIM工具入口

1. 手工计算IGBT损耗

(1) 计算IGBT导通损耗。

手册中给定的器件FF300R17ME3的IGBT导通电流与压降关系如图3所示。

图 3 IGBT导通电流与压降

IGBT导通时，从上述条件，可知，负载电压500V，负载平均电流100A，对应器件压降1.4V，占空比为0.5，平均导通损耗Pcond=100A*1.4V*0.5=70W。

(2)计算IGBT开关损耗。

手册中给定的IGBT开通和关断损耗与电流关系如图4所示。

图 4 IGBT开通和关断损耗与电流关系

IGBT导通平均电流为100A，开通关断，每次开关动作对应的开通和关断损耗Eon+Eoff=75mJ，实际Uce承受电压为1000V，图中测试条件为900V，所以还要乘以1000/900，开关频率为5kHz。所以对应的开关损耗为Psw=75m*5k*1000/900=416.6W。

(3)计算IGBT反并联二极管导通损耗。

手册中给定的IGBT反并联二极管压降与电流关系如图5所示。

图 5 IGBT反并联二极管压降与电流关系

IGBT关断时，电流从续流二极管流过，IGBT反并联二极管导通电流基本为0，损耗为0，

可能此处不严谨，求拍。

(4)计算IGBT反并联二极管反向恢复损耗。

手册中给定的IGBT反并联二极管反向恢复损耗与电流关系如图6所示。

图 6 IGBT反并联二极管反向恢复损耗与电流关系

由于IGBT反并联二极管无电流，所以认为此处反向恢复损耗也为零。

2. IPOSIM工具（英飞凌官方网站IGBT损耗计算）

选择DC/DC-Buck电路拓扑，输入如下参数，选择本文的器件，计算。

DC/DC - Buck > Simulation ResultsHello: Hua Cai | Logout | Feedback | Help/Support

Input Requirements

Input Voltage Blocking Voltage Output Voltage Duty Cycle Switching Frequency Load Resistance Load Inductance

1000 V 1700 V 500 V 0.5

5000 Hz 5

Ω

1 mH

FF300R17ME4 Igbt Parameters VCEsat,25°C Eon+Eoff,125°C RG,on RG,off RthJC RthCH

1.95

V

190.50 mWs 3.300 4.700

Ω Ω

0.083 K/W 0.029 K/W

Diode Parameters VF,25°C Erec,125°C RthJC RthCH

1.80

V

78.50 mWs 0.130 K/W 0.046 K/W

Application Data RG,on RG,off

3.300 Ω 4.700 Ω

Thermal Conditions Fixed Heat Sink Heat sink Temperature

50 °C

Junction Temperatures IGBT FWD

106.0 °C 86.4 °C

Switching Losses

IGBT 420.455 W

Free Wheeling Diode Conduction Lossses IGBT

144.445 W

76.943 W

Free Wheeling Diode 61.261 W

Average Losses IGBT

Free Wheeling Diode

497.398 205.705

W W

3. Psim中IGBT热模型

根据英飞凌FF300R17ME3器件手册，建立热模型如图7所示，其中每个曲线只取了4~5个关键点。

图 7 英飞凌FF300R17ME3在Psim中热模型

将所建立的device文件放入C:\\Program Files\\Powersim\\PSIM9.0.3_Trial\\Device 文件夹内。重启Psim，选择刚才的器件模型，如图8所示。

图 8 加载所选的器件热模型

仿真结果如图9和图10(放大波形)所示。

图 9 Psim仿真结果

图 10 Psim仿真结果放大波形

4. 总结对比

采用上述三种方法的计算结果如表1所示，可以看出，对于IGBT导通损耗和IGBT开关损耗的计算结果，三种方法还是比较接近的，其中有曲线选择时取样点误差的影响。然而，对于反并联二极管的损耗问题，IPOSIM给的值，不知道是另外续流二极管的损耗值还是内部反并联二极管的损耗值。

表1 不同方法计算结果对比(RL=5Ω)

RL=5欧姆 IGBT导通损耗 IGBT开关损耗 反并联二极管导通损耗 反并联二极管开关损耗 手册手算 70W 416.6W 0 0 IPOSIM(英飞凌官方) 77W 420W 61W 144W PSIM(热模型) 65W 416.5W 0 0 为了更具有说服力，对负载电阻为2.5欧姆和2欧姆时，进行了仿真计算，结果见表2和表3。从表2可以看出，Psim与IPOSIM的结果同样比较接近。但是在表3中，Psim和IPOSIM的结果差距拉大了点，可能原因之一是在表3中，负载电流为250A，而器件热模型曲线采样时该点没有采样，Psim计算中进行了插值，造成了误差。

表2 不同方法计算结果对比(RL=2.5Ω)

RL=2.5欧姆 IGBT导通损耗 IGBT开关损耗 反并联二极管导通损耗 反并联二极管开关损耗 手册手算 IPOSIM(英飞凌官方) 199.3W 715.3W 155.45W 249.4W PSIM(热模型) 164.5W 720.8W 0 0 表3 不同方法计算结果对比(RL=2Ω)

RL=2欧姆 IGBT导通损耗 IGBT开关损耗 反并联二极管导通损耗 反并联二极管开关损耗

以上只是计算和仿真的结果，没有实验数据，结果可靠性不得而知，但英飞凌官方网站提供的数据应该是可信的。仅供参考！

QQ：511491361

手册手算 IPOSIM(英飞凌官方) 300W 1017W 214W 317W PSIM(热模型) 228W 875W 0 0 附：

A． 负载电阻为2.5欧姆

(1) IPOSIM计算结果

Input Requirements

Input Voltage Blocking Voltage Output Voltage Duty Cycle Switching Frequency Load Resistance Load Inductance

1000 V 1700 V 500 V 0.5

5000 Hz 2.5

Ω

1 mH

FF300R17ME3

Igbt Parameters VCEsat,25°C Eon+Eoff,125°C RG,on RG,off RthJC RthCH

2.00

V

188.90 mWs 4.700 4.700

Ω Ω

0.075 K/W 0.028 K/W

Diode Parameters VF,25°C Erec,125°C RthJC RthCH

1.80

V

71.70 mWs 0.130 K/W 0.049 K/W

Application Data RG,on RG,off

4.700 Ω 4.700 Ω

Thermal Conditions Fixed Heat Sink Heat sink Temperature

20 °C

Junction Temperatures IGBT 114.3 °C FWD

92.5 °C

Switching Losses IGBT

Free Wheeling Diode Conduction Lossses IGBT

Free Wheeling Diode Average Losses IGBT

Free Wheeling Diode

(2) Psim计算结果

715.266 249.378

199.296 155.456

914.563 404.834

W W

W W

W W

B． 负载电阻为2欧姆

(1) IPOSIM计算结果

DC/DC - Buck > Simulation ResultsHello: Hua Cai | Logout | Feedback | Help/Support

Input Requirements

Input Voltage Blocking Voltage Output Voltage Duty Cycle Switching Frequency Load Resistance Load Inductance

1000 V 1700 V 500 V 0.5

5000 Hz

2

Ω

1 mH

FF300R17ME3 Igbt Parameters VCEsat,25°C

2.00

V

Eon+Eoff,125°C 188.90 mWs

RG,on 4.700 Ω RG,off 4.700

Ω

RthJC 0.075 K/W RthCH

0.028 K/W

Diode Parameters VF,25°C 1.80

V

Erec,125°C 71.70 mWs RthJC 0.130 K/W RthCH

0.049 K/W

Application Data RG,on 4.700 Ω RG,off

4.700 Ω

Thermal Conditions Fixed Heat Sink Heat sink Temperature

20 °C

Junction Temperatures IGBT 155.8 °C FWD

115.0 °C

Switching Losses IGBT 1016.779 W Free Wheeling Diode

316.099 W

Conduction Lossses IGBT

299.556 Free Wheeling Diode 214.081

Average Losses IGBT

1316.335

W W

W

Free Wheeling Diode

(2)Psim仿真结果

530.180 W